ヒッグス粒子

2014-05-26T01:05:33Z

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[[File:CMS Higgs-event.jpg|thumb|[[シミュレーション]]画像。仮説に基づいて、LHCのCMS素粒子検出器内で起きる可能性があると計算されることを描画してみたもの。このケースでは、二つの[[陽子]]の衝突後にヒッグス粒子が出現しそれは2つの流れに、つまりハドロン（11時の方向のそれ）および2個の電子の流れ（左下のおよび5時の方向のそれ）になっている。粒子がとりうる軌跡は直線で、粒子が検出器内に残すエネルギーは水色で描画している。]]

'''ヒッグス粒子'''（ヒッグスりゅうし、{{Lang-en|Higgs boson}}）または'''ヒッグス・ボゾン'''は、[[1964年]]に[[ピーター・ヒッグス]]が提唱した[[ヒッグス機構]]において現れるとされる[[素粒子]]である。マスメディアにおいては'''神の粒子'''と呼ばれることもある。

ヒッグス粒子は[[スピン角運動量|スピン]] 0 の[[ボース粒子]]である。
[[素粒子]]が[[質量]]を持つ仕組みを説明する機構のひとつであるヒッグス機構においては、[[ヒッグス場]]と呼ばれる[[スカラー場]]が導入され、[[自発的対称性の破れ]]にともなって特徴的な[[スカラー粒子]]が出現するとされている<ref>[[場の量子論]]（[[素粒子物理学]]）においては、[[場]]の存在と粒子の存在はほぼ同義として扱われている。</ref>。このスカラー粒子が、ヒッグス粒子である。

ヒッグス機構を含む理論模型が現実の物理に適用できるかどうかを判定する上で、その模型に対応するヒッグス粒子の存在が実験的に確かめられるかどうかが鍵となる。
ヒッグス粒子という言葉は、広い意味ではヒッグス機構において現れる粒子のことであるが、特に[[標準模型]]（[[ワインバーグ＝サラム理論]]）のヒッグス粒子を指して使われる場合が多い。
標準模型においては、[[ウィークボソン]]（W±,Z）はヒッグス機構により質量を獲得しているとされており、[[クォーク]]や[[レプトン (素粒子)|レプトン]]もヒッグス場との相互作用を通して質量を得ているとされている。

本記事では便宜上ヒッグス機構・ヒッグス粒子の双方について説明する{{疑問点|date=2013年11月|title=ヒッグス機構の記事は別にあるが関係は？}}。質量の合理的な説明のために、ヒッグス機構という理論体系が提唱されており、その理論内で「ヒッグス場」や「ヒッグス粒子」が言及されているという関係になっているためである。

== 概要 ==
[[質量]]はどのようなしくみで発生するのか、物理学的に整合性を保って説明できるのか、という、多くの物理学者を悩ませてきた難しい問題に対するひとつの解決案として、[[1964年]]に[[エディンバラ大学]]の[[ピーター・ヒッグス|ピーター・ウェア・ヒッグス]]は、[[自発的対称性の破れ]]の考えに基づいたひとつの理論を提唱した。この[[理論]]・[[仮説]]は後に「Higgs mechanism ヒッグス機構」と呼ばれることになる。

== ヒッグス機構 ==
{{Main|ヒッグス機構}}

ヒッグス機構というのは、ピーター・ヒッグスが1964年に提唱した、ゲージ対称性の自発的やぶれに関する理論（仮説）である<ref name="physics_jiten">『改訂物理学事典』培風館、1992</ref>。この理論の下では、[[南部-ゴールドストーン粒子]]は物理的には現れず、その自由度はゲージ場の縦成分として吸収され、ゲージ場は[[ベクトル粒子]]としてふるまうことになる<ref name="physics_jiten" />。この理論は、質量をもつベクトル粒子を、きわめて基本的な対称性に基づいた[[ゲージ場]]として[[解釈]]することを可能にする<ref name="physics_jiten" />。またこの理論ならば、対称性のやぶれに伴う南部-ゴールドストーン粒子を、物理的に現れないとして済ますことができる、という特徴がある<ref name="physics_jiten" />。つまり、もしこの《ヒッグス機構》という仮説が正しければ、従来困難な問題だとも考えられてきた質量の説明に関して、物理学的に整合性を保った、合理的な説明を与えることができる、と考えられる。

ただし、この理論（仮説）《ヒッグス機構》では、「真空」と同じ[[量子数]]を持つスカラー粒子が現れる、とされるので、この仮説が正しいものだと証明するためには、この、後に「ヒッグス粒子」と呼ばれるようになる粒子を[[実験]]的に見つけることが課題になる<ref name="physics_jiten" />。

なお、似たようなメカニズムは、[[ブリュッセル自由大学]]の[[ロペール・ブルー]] ({{interlang|en|Robert Brout}}) と[[フランソワ・アングレール]]も[[1964年]]に、ヒッグスとは独立に提唱していた。


ヒッグス機構では、宇宙の初期の状態においてはすべての素粒子は自由に動きまわることができ、質量を持たなかったが、低温状態となるにつれ、ヒッグス場に[[自発的対称性の破れ]]が生じ、宇宙全体に[[真空期待値]]が生じた（[[真空]]に[[相転移]]が起きた）と考える。これによって、他のほとんどの素粒子がそれに当たって抵抗を受けることになった。これが素粒子の動きにくさ、すなわち質量となる。質量の大きさとは、真空期待値が生じたヒッグス場と物質との相互作用の強さであり、ヒッグス場というプールの中に物質が沈んでいるから質量を獲得できると見なす。[[光子]]はヒッグス場からの抵抗を受けないため相転移後の宇宙でも自由に動きまわることができ質量がゼロであると考える。

ヒッグス粒子の存在が意味を持つのは、[[ビッグバン]]、[[真空の相転移]]から物質の存在までを説明する[[標準理論]]の重要な一部を構成するからでもある。もしヒッグス粒子の存在が否定された場合は、[[標準理論]]（および[[宇宙論]]）は大幅な改訂を迫られることになる。

ニュース等では「対称性の破れが起こるまでは質量という概念自体が存在しなかった」などと紹介されることがあるが、これは正確ではない。[[電荷]]、[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]]、[[色荷|カラー]]を持たない粒子、標準模型の範囲内ではヒッグス粒子それ自体および右巻き[[ニュートリノ]]はヒッグス機構と関係なく質量を持つことが出来る。また、[[重力]]と質量の関係、すなわち重力質量発生のしくみは[[空間]]の構造によって定められるものであり、標準模型の外部である[[一般相対性理論]]、もしくは[[量子重力理論]]において[[重力子]]の交換によって説明されると期待される{{要出典|date=2013年2月}}。

== 標準模型 ==
標準模型のうち、[[電弱相互作用]]を説明する部分のワインバーグ＝サラム模型においてヒッグス機構が用いられている。ワインバーグ＝サラム模型は[[ウィークボソン]]に質量があることが無理なく説明でき、しかも[[Wボソン]]と[[Zボソン]]の質量比が実験結果と一致するため、素粒子の標準模型の主要な部分をなしている。

標準模型のヒッグス場は SU(2)L×U(1)Y の下で
{{Indent|
<math>\Phi = \begin{pmatrix}
\Phi_1 \\ \Phi_2 \\
\end{pmatrix}
</math>
}}
の形の表現をもつ。これがヒッグス場のポテンシャル項により真空期待値
{{Indent|
<math>\langle \Phi \rangle
= \frac{v}{\sqrt2}
\begin{pmatrix}
0 \\ 1 \\
\end{pmatrix}</math>
}}
を持って対称性を破る。真空期待値の大きさは
{{Indent|
<math>v = (\sqrt{2}G_F/(\hbar c)^3)^{-1/2}
\approx 246\ \mathrm{GeV}</math>
}}
である。ここで GF は[[フェルミ結合定数]]である。
対称性を破りヒッグス場の内3つのスカラー場はWボソンとZボソンに吸収されて質量を与え、残った1つのスカラー場を[[量子化 (物理学)|量子化]]して得られるのがヒッグス粒子である。

高次の[[自発的対称性の破れ|対称性が破れ]]低次の対称性に移る際、ワイン底型[[ポテンシャル]]の底の円周方向を動くモードは軽いが、ワイン底を昇るモードにはたくさんのエネルギーが必要である。そのうちの前者を[[南部陽一郎|南部]]・[[:en:Jeffrey Goldstone|ゴールドストン]]ボソンと呼ぶ。対称性が保たれている状態でヒッグズ場は[[複素数|複素]][[スカラー]]2つで計4つの[[自由度]]を持つが、対称性の破れによって3つの南部・ゴールドストンボソンが生じ、3つの[[ウィークボソン]]W±・Zに、それぞれの一成分としてとりこまれる。実験検証の望まれているヒッグス粒子はワイン底を昇るほうのモードに対応するものである。

== 実験 ==
素粒子の標準模型がヒッグス機構に拠って立つことを完全に立証する為には、ヒッグス粒子の探索が重要となる<ref>仮に標準模型のヒッグス粒子が存在しなかったとしても、近似理論としての意味は否定されない。</ref>。ヒッグス粒子は標準模型の中で最後まで未発見のまま残された素粒子であり、実際に捕捉すべく長年に渡って実験が行われてきた。
その発見は[[高エネルギー物理学]]の加速器実験の最重要目的の一つと位置づけられるようにもなり、[[ジュネーブ]]郊外に建設され、[[2008年]]より稼働した[[欧州原子核研究機構|CERN]]の[[大型ハドロン衝突型加速器|LHC]]での発見が期待されていた。
その実験はたやすいものではなく、LHCを用いた衝突実験でも、理論計算によるとおよそ10兆回に1回しか生成されないとされている。つまり理論が正しい場合でも、それによって予測される粒子は、[[巨大科学|巨大・巨額の装置および大量の人員を長年に渡って用いる手法]]で実験を行っても、生成自体が大きな困難だとされている。

[[2011年]]12月のこと、「ヒッグス粒子」が「垣間見られた」と発表され<ref name="cern1" /><ref name="cern2" /><ref name="nature1" /><ref name="bbc6" /><ref name="bbc5" /><ref name="bbc1" /><ref name="bbc2" /><ref name="bbc3" /><ref name="bbc4" />、そのニュースが世界を駆け巡った。

2011年12月、[[CERN]]は、2つの研究グループが示した[[LHC]]の10月末までの実験データの中に、ヒッグス粒子の存在を示唆するデータがあることを見つけ、[[12月12日|12日]]、ヒッグス粒子は「{{en|glimpse}}（垣間見えた）」と発表した。これは、「発見」の発表ではない。発表の最後にCERNの所長は、「ヒッグス粒子が発見されたかどうかを決定するにはより多くのデータが必要である。次の稼働期間（[[2012年]]11月のデータ収集期間）が終われば決定されるであろう」と語った。

翌日の[[12月13日|13日]]に、ATLAS実験グループとCMS実験グループはそれぞれ、ヒッグス粒子が存在するとして95%の信頼性区間に対応する質量領域が 115–{{Val|130|u=GeV/c2}} (ATLAS)、115–{{Val|127|u=GeV/c2}} (CMS) と発表した。最も可能性の高い範囲は、3.6''σ''（''σ'' は1[[標準偏差]]）の統計レベルで 125-{{Val|126|u=GeV/c2}} (ATLAS)、2.6''σ'' で{{Val|124|u=GeV/c2}} (CMS) である<ref name="cern1">{{Cite news |url=http://www.atlas.ch/news/2011/status-report-dec-2011.html |title=ATLAS experiment presents latest Higgs search status |publisher=CERN |date=13 December 2011 |accessdate=13 December 2011}}</ref><ref name="cern2">{{Cite news |url=http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-model-higgs-boson-lhc-data-2010-and-2011 |title=CMS search for the Standard Model Higgs Boson in LHC data from 2010 and 2011 |publisher=CERN |date=13 December 2011 |accessdate=13 December 2011}}</ref><ref name="nature1">{{Cite news |url=http://www.nature.com/news/detectors-home-in-on-higgs-boson-1.9632 |title=Detectors home in on Higgs boson |publisher=Nature News |date=13 December 2011 |accessdate=13 December 2011}}</ref><ref name="bbc6">{{Cite news
|url=http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16158374
|work=BBC
|title=LHC: Higgs boson 'may have been glimpsed'
|accessdate=2011-12-13
|date=2011-12-13
}}</ref><ref name="bbc5">{{Cite news
|url=http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16116230
|work=BBC
|title=Higgs boson: LHC scientists to release best evidence (Updated)
|accessdate=2011-12-13
|date=2011-12-13 (Updated)
}}</ref><ref name="bbc1">{{Cite news
|url=http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16111562
|work=BBC
|title=Have scientists at the LHC found the Higgs or not?
|accessdate=2011-12-12
|date=2011-12-12
}}</ref><ref name="bbc2">{{Cite news
|url=http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16074411
|work=BBC
|title=Cern scientist expects 'first glimpse' of Higgs boson
|accessdate=2011-12-8
|date=2011-12-7
}}</ref><ref name="bbc3">{{Cite news
|url=http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-15991392
|work=BBC
|title='Moment of truth' approaching in Higgs boson hunt
|accessdate=2011-12-8
|date=2011-12-1
}}</ref><ref name="bbc4">{{Cite news
|url=http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-14731690
|work=BBC
|title=Higgs particle could be found by Christmas
|accessdate=2011-9-2
|date=2011-9-1
}}</ref>。

その後、[[2012年]][[7月4日]]、同施設で「新たな粒子を発見した」と発表された。質量は[[CMS]]：125.3 GeV/c2（統計誤差は±0.4、[[系統誤差]]は±0.5、標準偏差は5.8）<ref name="cms-0731">{{Cite |url=http://arxiv.org/pdf/1207.7235 |title=Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC |author=CMS Collaboration |date=31 July 2012 |accessdate=15 August 2012}}</ref>、ATLAS：126.0 GeV/c2（統計誤差は±0.4、系統誤差は±0.4、標準偏差は5.9）<ref name="atlas-0731">{{Cite |url=http://arxiv.org/abs/1207.7214 |title=Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC |author=ATLAS Collaboration |date=31 July 2012 |accessdate=15 August 2012}}</ref>である。だが、この「新しい粒子」が、捜し求めていたヒッグス粒子であるのかそうではないのか、ということについては確定的には表現されず、さらに精度を高めて確かめるために実験が続けられる、とされた<ref>[https://sites.google.com/site/lhcpr2011/20120704 長年探索してきたヒッグスボソンとみられる粒子を CERN の実験で観測 ''LHC アトラス実験'']</ref><ref name="cern3">{{Cite news |url=http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=197461 |title=Latest update in the search for the Higgs boson |publisher=CERN |date=4 July 2012 |accessdate=4 July 2012}}</ref>。

[[2013年]][[3月14日]]にCERNは、2012年7月31日の時よりも2.5倍も多いデータを分析した結果、新たな粒子はヒッグス粒子である事を強く示唆していると発表した。例えば、ヒッグス粒子は理論的には[[スピン角運動量]]が0であるとされているが、データ解析の結果それと一致することが確かめられた。

== さまざまな呼称 ==
まずはじめに[[ベンジャミン・W・リー]]らによって「ヒッグス粒子」と命名された<ref>{{Cite press release|url=http://www.pas.rochester.edu/urpas/news/Hagen_030708|title=Rochester's Hagen Sakurai Prize Announcement|publisher=University of Rochester|year=2010}}</ref><ref>{{Cite news|url=http://www.guardian.co.uk/science/blog/2009/may/29/why-call-it-the-god-particle-higgs-boson-cern-lhc|title= Anything but the God particle|publisher=The Guardian|year=2009}}</ref>。

その後、[[レオン・レーダーマン]]らの著書の書名<ref>{{Cite book| title = The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question | year = 1993| publisher = Houghton Mifflin Company| author = Leon M. Lederman and Dick Teresi|language = 英語}}</ref>が元となって<ref name="ISample03032009">
{{Cite news
|author=Ian Sample
|date=3 March 2009
|title=Father of the God particle: Portrait of Peter Higgs unveiled
|url=http://www.guardian.co.uk/science/blog/2009/mar/02/god-particle-peter-higgs-portrait-lhc
|publisher=The Guardian
|location=London
|accessdate=2009-06-24
}}</ref>「{{en|God particle}}（神の粒子）」という呼称でマスメディアに紹介されるようになった<ref name="ISample29052009">{{Cite news
|author=Ian Sample
|date=29 May 2009
|title=Anything but the God particle
|url=http://www.guardian.co.uk/science/blog/2009/may/29/why-call-it-the-god-particle-higgs-boson-cern-lhc
|publisher=The Guardian
|location=London
|accessdate=2009-06-24
}}</ref>。本当はレーダーマンは最初この粒子を「{{lang|en|goddamn particle}}（いまいましい粒子）」という呼称で紹介しようとしていたが、編集者の意向で却下された、とされる。

「神の粒子」という呼称は、素粒子物理学や[[LHC]]について[[ジャーナリスト]]らに興味もたせるのには役に立ったようである<ref name="nationalpost20111214">{{Cite web|url=http://news.nationalpost.com/2011/12/14/the-higgs-boson-why-scientists-hate-that-you-call-it-the-god-particle/|title=The Higgs boson: Why scientists hate that you call it the ‘God particle’|publisher=National Post|date=14 December 2011|accessdate=2011-01-06}}</ref>。だが、物理学者の多くはこの呼称を好ましいものと思っていない。たとえばマンチェスターのある物理学者などはこの呼称について感想を求められたところ、[[ため息]]をついて、「この呼称は、本当に本当に好ましくない」と言ったという。この呼称が間違ったメッセージを発しているからだという<ref name="ISample29052009" />。「神の粒子」という異名には、レーダーマンが自著で行った、この粒子が特別に重要だとする主張が込められているが<ref name="ISample29052009" />、実際には、この粒子が見つかったとしてもそれは[[量子色力学]]、[[電弱相互作用]]と[[重力]]の[[統一理論]]の解答にはならないし、また宇宙の究極の起源について解答を与えてくれるものでもなく、つまり、物理学的に見てさほど究極のものというわけではない<ref name="ISample29052009" />。またピーター・ヒッグスも、インタビューされた時に、この「神の粒子」という呼称は避けたいだと述べたという。この呼称は宗教的な人々に対する攻撃になってしまうのではないか、と気にしているという<ref name="ISample29052009" />。

なおヒッグス自身は、自分自身とこの粒子との間にしっかり距離を置いた見方をしており、「ヒッグス粒子」とは呼ばず、「{{en|so-called Higgs boson}}（いわゆるヒッグス粒子と呼ばれているもの）」といった言い回しを使う<ref name="ISample29052009" />。

[[File:Mecanismo de Higgs PH.png|thumb|ヒッグス場のポテンシャル。シャンパン・ボトルの底の形をしている。]]
イギリスの新聞「[[ガーディアン]]」の科学担当記者が他の呼称を募集したが、応募された多くの候補の中から選ばれた最も妥当な名前は「シャンパン・ボトル・ボソン」である。[[シャンパン・ボトル]]の底はヒッグス・ポテンシャルの形をしており、物理の講義でもよく説明に使われる。「シャンパン・ボトル・ボソン」という呼称は「神の粒子」という呼称ほどにはインパクトはないが、覚えやすく、多くの物理学的議論に関連がある<ref>{{Cite news
|author=Ian Sample
|date=12 June 2009
|title=Higgs competition: Crack open the bubbly, the God particle is dead
|url=http://www.guardian.co.uk/science/blog/2009/jun/05/cern-lhc-god-particle-higgs-boson
|work=The Guardian
|location=London
|accessdate=2010-05-04
}}</ref>。シャンパン・ボトルの底の形は、例えば、[[ハドロン]]に質量を与える南部理論（[[カイラル対称性]]の自発的破れ）に現れる。また、カイラル対称性の自発的破れのアイディアは、南部が[[超伝導]]の理論である[[BCS理論]]に触発されたものだが、BCS理論に出てくるポテンシャルもシャンパン・ボトルの形である。

{{clear}}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
{{参照方法|date=2013年11月}}

* {{Cite book
|author=M. E. Peskin, D. V. Schroeder
|title=An Introduction to Quantum Field Theory
|publisher=Westview Press
|year=1995
|isbn=978-0-201-50397-5
|ref=peskin
}}
* {{Cite book
|author=S. W. Weinberg
|title=The quantum theory of fields
|publisher=Cambridge University Press
|year=1996
|volume=Vol. 2
|pages=295-354
|ref=weinberg
}}
* P. アトキンス、斉藤隆央訳、ガリレオの指 -現代科学を動かす10大理論-、pp. 235-236、早川書房 2004（原書：P. Atkins, Galileo's Finger -The Ten Great Idea of Science, Oxford University Press 2003）
* ヒッグス粒子―神の粒子の発見まで　ジムバゴットJim Baggott 著, 小林富雄訳　2013 東京化学同人

== 関連項目 ==
* [[素粒子物理学]]
* [[ワインバーグ＝サラム理論]]
* [[標準模型]]
* [[場の量子論]]
* [[ゲージ理論]]
* [[重力子]] - [[重力]]を媒介するとされる未発見の素粒子。
* [[暗黒物質]]

* [[ヒッグス場入門]]
{{粒子の一覧}}

{{DEFAULTSORT:ひつくすりゆうし}}
[[Category:素粒子物理学]]
[[Category:素粒子]]
[[Category:ボース粒子]]
[[Category:標準模型]]

{{Link GA|zh}}

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ヒッグス粒子