2025年度セミナー

Gravity beyond a single metric: Ghost-free interactions of spin-2 fields.

The fundamental interactions of nature are formulated in terms of fields classified by mass and spin. Two of the most successful theories, General Relativity (GR) and the Standard Model (SM), can be derived from fields of fixed mass and spin by imposing theoretical consistency conditions. The SM contains well-understood interactions for fields with spin s<2, whereas local interacting theories with s>2 face fundamental obstacles, placing s=2 in a special position. Spin-2 fields are intrinsically linked to gravity, yet theories of interacting spin-2 fields remain comparatively unexplored. Lovelock’s theorem essentially establishes GR as the unique theory for a single massless spin-2 field, so it is natural to ask whether GR is part of a larger structure, as electromagnetism was later understood to sit within electroweak theory. This may be relevant to open questions in gravitational physics, such as dark matter, dark energy, the Hubble tension, and, ultimately, quantum gravity. However, theories of interacting spin-2 fields are notoriously plagued by ghosts—pathological fields with negative kinetic energy—and requiring their absence severely restricts the allowed interactions. In this talk, I will discuss multi-gravity theories, containing multiple interacting spin-2 fields, focusing on their theoretical consistency via the absence of ghosts.

squashed Kaluza-Kleinブラックホール時空における荷電粒子の近点移動

5次元squashed Kaluza-Kleinブラックホール解は地平線近傍で5次元的に振舞うが、無限遠方ではS¹コンパクト化された余剰次元を伴う有効的4次元時空に漸近する。そこで、squashed Kaluza-Klein解を現実的な高次元時空モデルの候補と考えて、この時空中における試験荷電粒子の運動を議論した。さらに、束縛軌道における近点移動の振舞いを調べて、近い将来の観測による余剰次元や天体の電荷の検出可能性を議論した。

Unified On-Shell Framework for Black-Hole Mergers and Hawking Radiation

Over the past seven years, the amplitudes community has shown that black-hole interactions can be described — to all orders in the post-Minkowskian expansion — purely in terms of on-shell amplitudes, without ever invoking a Lagrangian or equations of motion. This approach — based on the most advanced amplitude techniques used for precision physics at the LHC — has already led to state-of-the-art calculations in General Relativity and to the growth of a vibrant research community.

However, despite this progress, very little is known about whether this framework can be made systematic enough to address more complex aspects of black-hole physics — such as binary mergers or the Hawking radiation they emit — both of which are inherently nonperturbative phenomena.

In this talk, I will argue that these two phenomena can be treated within a unified framework based on a universal, mass-changing three-point amplitude. Using massive spinor-helicity and on-shell methods, I will show that the amplitude describing both cases is unique, with only a coupling constant left undetermined. This coupling can be fixed by matching to physical and gauge-invariant quantities. Once the matching conditions are specified, this building block can be iterated, as in any other perturbative on-shell approach to quantum field theory (QFT), to compute higher order processes.

As an application, I will show how to derive conservation laws and memory waveforms in black-hole mergers. Using the same tools, I will then explain how to compute mass-changing effects in binary dynamics arising from the presence of event horizons, including those associated with Hawking radiation. To the best of our knowledge, this provides the first example of a universal simplicity shared by black-hole mergers and Hawking radiation — a connection that becomes evident when viewed through on-shell methods.

ブラックホールの帯電と荷電粒子の捕獲立体角について

近年の様々な観測から、いくつかの活動的な銀河の中心からは、細く絞られた光速に近いジェットが噴き出していることが分かっている。このようなジェットのエネルギー源の候補の一つとして、Blandford-Znajek(BZ)過程が有力視されているが、近年BHの帯電がBZ過程を妨げる可能性が指摘され、現在も議論が続いている。そこで本講演ではまず、split-monopole磁場を伴うSchwartzchild時空中のテスト荷電粒子の運動と、BHに捕獲される粒子の立体角(捕獲立体角)を評価する。その後、BZ論文(1977)で用いられたBZ split-monopole磁場を伴うKerr時空中のテスト荷電粒子の捕獲立体角に関する解析結果について議論する。

対称性を前提としないアインシュタイン方程式の厳密解:概接触構造を用いた構成原理

アインシュタイン方程式の厳密解を構成する際，球対称性などの幾何学的対称性がしばしば仮定される．しかし，現実の物理系が厳密に対称性を有するとは限らない．そこで我々は概接触構造という幾何構造に基づいた時空計量を導入し，対称性を前提としない厳密解を与える枠組みを提案する．この計量には任意の2次元計量が含まれ，これが対称性の破れを記述する自由度となっている．本講演では，この枠組みに含まれる非一様・非等方なロバートソン・ウォーカー型計量と，非球対称なシュバルツシルト型計量に対し，アインシュタイン方程式を検討し，宇宙ひもを物質として仮定すれば厳密解が得られることを示す．また，得られた解の物理的性質について議論する．

Quantum teleportation re-revisited

量子テレポーテーションのアルゴリズムを情報の分散書き込みによる冗長化とその解消という観点で見直す。最近発見された暗号化クローニングのアルゴリズムについて紹介し、共通点などを論じたい。

Superspinarの境界条件問題

GimonとHořavaによって提唱されたSuperspinarは、超弦理論を背景に持つ高速回転コンパクト天体であり、その外部領域はKerr boundを超過したOver-spinning Kerr計量に従う。仮に実在が確認されれば、超弦理論に対する観測的検証の足掛かりとなる可能性を秘めている。 一方で、Superspinarの物理的実体、とりわけ”表面”における境界条件の妥当性は確立されていない。さらに、Horizonの欠如とErgo領域の存在に起因するErgo領域不安定性の発現も懸念される。 本研究の目的は、Over-spinning Kerr背景時空における複素スカラー場の挙動を摂動論的に解析し、Superspinar”表面”の境界条件が系の安定性に及ぼす影響を検証することである。

Cosmic string による Kerr ブラックホールからのエネルギー抽出

宇宙初期の相転移において、自発的対称性の破れから「位相欠陥(topological defect)」という特異な構造が現れることが予言されている。位相欠陥は、対称性の破れた異なる真空の境界に形成される局所的な対称性を保った非真空領域である。位相欠陥には monopole、cosmic string(宇宙ひも)、domain wall などの種類があり、特にその太さが曲率半径よりもはるかに小さい宇宙ひもは、1+1 次元物体である南部-後藤 string とみなすことができる。南部-後藤 string の作用は南部-後藤作用で書け、これにより string の運動方程式が得られ、様々な背景時空上での string の運動が議論できる。[1]は Kerr ブラックホールの周囲を剛体回転する南部-後藤 string により、Penrose 過程やBlandford-Znajek 過程と同様に Kerr ブラックホールの回転エネルギーを取り出せることを示した。本研究では Kerr ブラックホールからのエネルギー引き抜きの新たな方法として、赤道面上においた南部-後藤 string がブラックホールの回転に引きずられる状況を考えた。数値計算により、確かにエネルギーの引き抜きが可能なことを確認した。

ブラックホール真空磁気圏における高エネルギー粒子の生成可能性について

観測技術の発達により、ブラックホール(BH)やその周囲の現象が判明しつつある。特に、宇宙ジェットや降着円盤など磁場とプラズマの相互作用と関連があると予想される現象は多い。10^18 eV 以上のエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線(UHECRs)もその1つであり、その加速機構および発生環境については依然として未解決である。
本講演では、降着円盤とBHが形成する Disk–BH 磁気圏を、高エネルギー粒子生成の舞台として捉え、その物理的役割を明らかにする。ここでは、降着円盤を電流源かつ粒子浴として機能する系とみなし、ディスク上を流れる電流が Kerr BH周囲に形成する真空磁気圏を有効モデルとして用いる。この枠組みのもとで、磁気圏内の電磁場構造が荷電粒子の有効ポテンシャルに与える影響を解析し、高エネルギー状態が実現される条件を議論する。特に、磁気圏内に形成される異なる磁場構造に注目し、それらの境界領域が粒子加速において果たす役割を検討する。さらに、ディスクから供給される中性粒子が、磁気圏内のどの領域で崩壊し得るかについて考察する。

Decoherence of primordial perturbations in the view of a local observer

We study quantum decoherence of curvature perturbations at superhorizon scales caused by the gravitational nonlinearities. We show that cubic gravitational couplings, constrained by the spatial diffeomorphism invariance, lead to infrared (IR) and ultraviolet (UV) divergences in the decoherence rate at one loop. These divergences arise from fluctuations of deep IR modes which look like a background mode for a local observer and violent zero-point fluctuations in the deep UV, respectively. We argue that these divergences are unobservable, as they vanish when considering proper observables. We consider correlators defined using the geodesic distance for IR divergences and time-averaged correlators for UV divergences. To account for these observer's perspectives, we propose to consider an effective quantum state, defined in terms of actual observables, as a more appropriate probe of the quantum coherence of the system measured by an observer. We then evaluate the finite decoherence rate induced by superhorizon environment during inflation and at late universe. This talk is based on the paper arXiv:2504.10472.

完全流体のポテンシャル流に対するホドグラフ変数によるアプローチ

オイラー方程式に従う完全流体のポテンシャル流は流体力学において最も単純化されたシステムであるにもかかわらず，圧縮性のある流体の場合には基礎方程式が非線形となり，解を求めることが難しい．これに対し，流速を独立変数（ホドグラフ変数）としてポテンシャル流を定式化し直すと，基礎方程式を線形化することができることが知られている．この定式化を曲がった空間に拡張することを議論する．