We study the big-bang nucleosynthesis (BBN) with the long-lived exotic particle, called $X$. If the lifetime of $X$ is longer than $\ensuremath{\sim}0.1\text{ }\text{ }\mathrm{sec}$, its decay may cause nonthermal nuclear reactions during or after the BBN, altering the predictions of the standard BBN scenario. We pay particular attention to its hadronic decay modes and calculate the primordial abundances of the light elements. Using the result, we derive constraints on the primordial abundance of $X$. Compared to the previous studies, we have improved the following points in our analysis: The JETSET 7.4 Monte Carlo event generator is used to calculate the spectrum of hadrons produced by the decay of $X$; the evolution of the hadronic shower is studied taking into account the details of the energy-loss processes of the nuclei in the thermal bath; we have used the most recent observational constraints on the primordial abundances of the light elements; in order to estimate the uncertainties, we have performed the Monte Carlo simulation which includes the experimental errors of the cross sections and transferred energies. We will see that the nonthermal productions of D, $^{3}\mathrm{He}$, $^{4}\mathrm{He}$, and $^{6}\mathrm{Li}$ provide stringent upper bounds on the primordial abundance of a late-decaying particle, in particular, when the hadronic branching ratio of $X$ is sizable. We apply our results to the gravitino problem, and obtain an upper bound on the reheating temperature after inflation.

The late-time entropy production by massive particle decay induces various cosmological effects in the early epoch and modifies the standard scenario. We investigate the thermalization process of the neutrinos after entropy production by solving the Boltzmann equations numerically. We find that if the large entropy is produced at $t\ensuremath{\sim}1 \mathrm{sec},$ the neutrinos are not thermalized very well and do not have the perfect Fermi-Dirac distribution. Then the freeze-out value of the neutron to proton ratio is altered considerably and the produced light elements, especially ${}^{4}\mathrm{He},$ are drastically changed. Comparing with the observational light element abundances, we find that ${T}_{R}\ensuremath{\lesssim}0.7 \mathrm{MeV}$ is excluded at 95 % C.L. We also study the case in which the massive particle has a decay mode into hadrons. Then we find that ${T}_{R}$ should be a little higher, i.e., ${T}_{R}\ensuremath{\gtrsim}2.5$--4 MeV, for the hadronic branching ratio ${B}_{h}{=10}^{\ensuremath{-}2}\ensuremath{-}1.$ The possible influence of late-time entropy production on the large scale structure formation and temperature anisotropies of cosmic microwave background is studied. It is expected that the future satellite experiments (MAP and PLANCK) to measure anisotropies of cosmic microwave background radiation temperature will be able to detect the vestige of the late-time entropy production as a modification of the effective number of the neutrino species ${N}_{\ensuremath{\nu}}^{\mathrm{eff}}.$

We derive big-bang nucleosynthesis (BBN) constraints on both unstable and stable gravitino taking account of recent progress in theoretical study of the BBN processes as well as observations of primordial light-element abundances. In the case of unstable gravitino, we set the upper limit on the reheating temperature assuming that the primordial gravitinos are mainly produced by the scattering processes of thermal particles. For stable gravitino, we consider $B$-ino, stau, and sneutrino as the next-to-the-lightest supersymmetric particle and obtain constraints on their properties. Compared with the previous works, we improved the following points: (i) we use the most recent observational data, (ii) for gravitino production, we include contribution of the longitudinal component, and (iii) for the case with unstable long-lived stau, we estimate the bound-state effect of stau accurately by solving the Boltzmann equation.

We propose a chaotic inflation model in supergravity. In the model the Kahler potential has a Nambu-Goldstone-type shift symmetry of the inflaton chiral multiplet which ensures the flatness of the inflaton potential beyond the Planck scale. We show that chaotic inflation naturally takes place by introducing a small breaking term of the shift symmetry in the superpotential. This may open a new branch of model building for inflationary cosmology in the framework of supergravity.

We study the big-bang nucleosynthesis (BBN) scenario with late-decaying exotic particles with lifetime longer than $\sim 1$ sec. With a late-decaying particle in the early universe, predictions of the standard BBN scenario can be significantly altered. Therefore, we derive constraints on its primordial abundance. We pay particular attention to hadronic decay modes of such particles. We see that the non-thermal production process of D, ${\rm ^{3}He}$ and ${\rm ^6Li}$ provides a stringent upper bound on the primordial abundance oflate-decaying particles with hadronic branching ratio.

We review recent developments on axion cosmology. Topics include : axion cold dark matter, axions from topological defects, axion isocurvature perturbation and its non-Gaussianity and axino/saxion cosmology in supersymmetric axion model.

The cosmological scenario where the Peccei-Quinn symmetry is broken after inflation is investigated. In this scenario, topological defects such as strings and domain walls produce a large number of axions, which contribute to the cold dark matter of the universe. The previous estimations of the cold dark matter abundance are updated and refined based on the field-theoretic simulations with improved grid sizes. The possible uncertainties originated in the numerical calculations are also discussed. It is found that axions can be responsible for the cold dark matter in the mass range $m_a=(0.8-1.3)\times 10^{-4}\mathrm{eV}$ for the models with the domain wall number $N_{\rm DW}=1$, and $m_a\approx\mathcal{O}(10^{-4}-10^{-2})\mathrm{eV}$ with a mild tuning of parameters for the models with $N_{\rm DW}>1$. Such higher mass ranges can be probed in future experimental studies.

The International Axion Observatory (IAXO) will be a forth generation axion helioscope. As its primary physics goal, IAXO will look for axions or axion-like particles (ALPs) originating in the Sun via the Primakoff conversion of the solar plasma photons. In terms of signal-to-noise ratio, IAXO will be about 4–5 orders of magnitude more sensitive than CAST, currently the most powerful axion helioscope, reaching sensitivity to axion-photon couplings down to a few × 10−12 GeV−1 and thus probing a large fraction of the currently unexplored axion and ALP parameter space. IAXO will also be sensitive to solar axions produced by mechanisms mediated by the axion-electron coupling gae with sensitivity — for the first time — to values of gae not previously excluded by astrophysics. With several other possible physics cases, IAXO has the potential to serve as a multi-purpose facility for generic axion and ALP research in the next decade. In this paper we present the conceptual design of IAXO, which follows the layout of an enhanced axion helioscope, based on a purpose-built 20 m-long 8-coils toroidal superconducting magnet. All the eight 60cm-diameter magnet bores are equipped with focusing x-ray optics, able to focus the signal photons into ∼ 0.2 cm2 spots that are imaged by ultra-low-background Micromegas x-ray detectors. The magnet is built into a structure with elevation and azimuth drives that will allow for solar tracking for ∼ 12 h each day.

Primordial black holes (PBHs) are one of the candidates to explain the gravitational wave (GW) signals observed by the LIGO detectors. Among several phenomena in the early Universe, cosmic inflation is a major example to generate PBHs from large primordial density perturbations. In this paper, we discuss the possibility to interpret the observed GW events as mergers of PBHs which are produced by cosmic inflation. The primordial curvature perturbation should be large enough to produce a sizable amount of PBHs and thus we have several other probes to test this scenario. We point out that the current pulsar timing array (PTA) experiments already put severe constraints on GWs generated via the second-order effects, and that the observation of the cosmic microwave background (CMB) puts severe restriction on its $\mu$ distortion. In particular, it is found that the scalar power spectrum should have a very sharp peak at $k \sim 10^{6}$ Mpc$^{-1}$ to fulfill the required abundance of PBHs while evading constraints from the PTA experiments together with the $\mu$ distortion. We propose a mechanism which can realize such a sharp peak. In the future, simple inflation models that generate PBHs via almost Gaussian fluctuations could be probed/excluded.

Following a new microlensing constraint on primordial black holes (PBHs) with $\ensuremath{\sim}1{0}^{20}--1{0}^{28}\text{ }\text{ }\mathrm{g}$ [H. Niikura et al., arXiv:1701.02151.], we revisit the idea of PBH as all dark matter (DM). We have shown that the updated observational constraints suggest the viable mass function for PBHs as all DM to have a peak at $\ensuremath{\simeq}1{0}^{20}\text{ }\text{ }\mathrm{g}$ with a small width $\ensuremath{\sigma}\ensuremath{\lesssim}0.1$, by imposing observational constraints on an extended mass function in a proper way. We have also provided an inflation model that successfully generates PBHs as all DM fulfilling this requirement.