ヒッグス粒子の発見後、素粒子物理学者は他に何を期待しているのでしょうか?

10年前の2012年7月4日、欧州原子核研究機構（CERN）はヒッグス粒子の発見を発表しました。一般に「神の粒子」として知られるこの基本物質は、学界と一般大衆に大きな影響を与えました。その最終的な発見は、60年前の理論的予測を裏付け、素粒子物理学の標準モデルの最後のギャップを埋めるものと考えられました。この研究は世界中のメディアでも大きく取り上げられ、基礎物理学の新たな勝利を告げるものとなった。しかし、標準モデルの不完全さにより多くの疑問が未解決のまま残っています。過去10年間、素粒子物理学者は再びそのような勝利を収めたことはなく、いくつかの「亀裂」を見ただけである。彼らはまだヒッグス粒子がさらなる答えを提供してくれることを期待している。

著者：Qu Lijian

2012年7月4日、素粒子物理学者たちが欧州原子核研究機構（CERN）に集まり、ヒッグス粒子の発見に関する実験結果の報告という、異例の学術報告を聞いた。実験結果がスライドで発表されると、会場からは拍手が沸き起こりました。参加者は興奮した心の中でヒッグス場を感じたようでした。彼らは、このような歴史的な瞬間を創り出すことに参加できることに、突然、感激と興奮を覚えました。

科学者たちはCERNの学術講堂で大声で歓声をあげた

現場の外では、世界中の素粒子物理学者がライブビデオ放送を通じてこの瞬間を目撃した。

ライブストリームを視聴するドイツ電子研究センターハンブルクの物理学者

米国のフェルミ国立加速器研究所の物理学者らは独立記念日の休日を放棄し、深夜の生放送を視聴した。

この純粋に科学的な発見に興奮しているのは科学者だけではなく、一般の人々も同様です。

世論の反応

講演後、CERNは記者会見を開き、この純粋物理学のニュースを一般に公開し、主要新聞が一面で報道した。他のメディアもこの話題に群がった。出版社は関連するさまざまな科学一般向けの書籍を出版し、その多くがベストセラーリストに掲載されました。テレビ局は、視聴者の質問に答え、疑問を解消するために各界の科学者をスタジオに招き、多くの関連ドキュメンタリーが大小のスクリーンで放送された。

CERNはヒッグス粒子の発見に関する世界中の主要新聞の報道を集めた。

ヒッグス粒子は今年最も注目を集めた話題となり、科学と一般科学が互いに補完し合った。翌年、ヒッグス粒子理論の提唱者であるイギリスの物理学者ピーター・ヒッグスとベルギーの物理学者フランソワ・アングレールの二人が共同でノーベル物理学賞を受賞した。再び、「神粒子」の饗宴を世間に披露します。

なぜこのような盛大な行事があるのでしょうか?これは、何年も前に科学者や一般向け科学ライターが行った「レイアウト」と予熱と大きく関係しています。

1993年には早くも、ノーベル賞受賞者のレオン・レーダーマンと共著者らが、科学の一般向け書籍『神の粒子』を出版し、ヒッグス粒子について語るときは必ず神の粒子について言及するようになった。

神の粒子、初版、1993年

神粒子の中国語版、2003年

人々の想像力をかき立てたもう一つの事件があった。

1993年、英国の科学大臣はヒッグス場とヒッグス粒子に関する最も優れた説明を公にするよう呼びかけ、その褒賞としてシャンパン1本を提供した。最終的に、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジのデイビッド・ミラー教授がシャンパンのボトルを獲得した。ミラー教授はヒッグス場を、肩を並べて集まったカクテルパーティー参加者のグループに例えた。普通の人であれば、群衆の中を簡単に移動することができますが、大物が現れると、人々は瞬く間に彼の周りに集まり、大物が群衆の中を移動することは困難になります。ヒッグス場と粒子の相互作用も同様です。粒子はヒッグス場を引き寄せ、自身の移動速度を遅くします。減少が大きいほど、ヒッグス場によって粒子に与えられる質量が大きくなります。

ヒッグス場はカクテルパーティーの参加者に例えられる

この類推により、一般の人々はヒッグス機構も理解したように感じるかもしれません。

しかし、これらのことは、ヒッグス粒子に対する西洋人の熱狂を説明することしかできず、ヒッグス粒子の発見に関連する科学ニュースに対する中国など世界の他の地域の人々の熱狂を説明することはできない。結局のところ、中国語版の『神粒子』はベストセラーではないし、カクテルパーティーで串焼きを食べる人もいないし、人々は『神』に興味を持っていない。このことは一つのことを示しています。それは、基礎科学に対する一般の人々の好奇心と熱意が私たちの固定観念を超えているということです。

ヒッグス粒子の研究は学界でも一般の人々の間でも頂点に達している。これで関連研究は終わりでしょうか？

あまり。

ヒッグス粒子の研究は宝探しのようなものです。ヒッグス粒子に関する知識を見つけることは宝物を見つけることですが、その宝物はまだ発掘されていません。過去10年間、素粒子物理学者たちは当初の興奮を保ちながら宝探しを続けてきた。素粒子物理学者が発掘したいと願っている宝物は、暗黒物質とは何かなど、標準モデルでは標準的な答えを出すことができないいくつかの問題を解決できるものです。なぜ物質のほうが反物質より多いのでしょうか?宇宙はどのようにして誕生し、その運命はどうなるのでしょうか?

標準モデルにおける粒子。紫色の部分がクォークです。クォークには 6 つのフレーバーがあり、各フレーバーには 3 つの色があり、各クォークには反クォークがあり、合計 36 個のクォークがあります。緑の部分はレプトンです。レプトンには 6 つのフレーバーがあり、色はなく、反粒子があり、合計 12 種類のレプトンがあります。図では、クォークとレプトンが 3 つの列に配置されており、各列が物質の世代を構成しています。クォークとレプトンの右側の列はゲージボソンです。このうちグルーオンは 8 色で反粒子はなく、光子と Z ボソンはそれぞれ 1 色のみ、W ボソンは反粒子があり、合計 2 色です。一番右の粒子はヒッグス粒子で、1つしかありません。標準モデルには61個の素粒子が含まれている

さて、今後どんな大きなニュースがあるか見てみましょう。

カップリング

ヒッグス粒子は、物理学者が「結合」と呼ぶ粒子との相互作用を通じて他の粒子に質量を与えます。結合の強さが異なると、粒子の質量も異なります。たとえば、これまでのところ、すべての測定値は標準モデルと一致しており、物理学者にとっては安心よりも混乱をもたらしています。粒子はなぜ質量を持っているのでしょうか?

標準モデルにおける粒子の質量の値は、理論から導き出されたものではなく、物理学者によって慎重に割り当てられます。素粒子物理学は、世界の仕組みを支配する最も基本的な法則を明らかにし、万物の理論を得ることを目的とした、非常に野心的な分野です。重要なパラメータが慎重に選択されるというのは皮肉なことではありませんか?ちょうど重力理論を展開するのと同じように、リンゴ、天体、人間はそれぞれ異なる引力の法則を満たします。これは万有引力の理論ではなく、独自の重力理論です。

電子、タウオン、ミューオンを例にとり、物理学者を悩ませている疑問について話しましょう。

標準モデルでは、これら 3 つの粒子の唯一の違いは質量であり、これはヒッグス粒子との結合の強さが異なることを意味します。一部の物理学者は、粒子にはより深い構造があり、ヒッグス粒子と他の粒子との結合を詳細に測定することで標準モデルでは説明できない結果が明らかになり、この手がかりに沿ってより基本的な理論を展開できると推測している。

結合を測定する実験的な方法は、ヒッグス粒子の生成と崩壊を観察することです。

ヒッグス粒子が発見されると、ヒッグス粒子と他のボソンとの結合が決定されました。 2016年、ヒッグス粒子とタウ粒子の結合が実験的に確認されました。これらの実験のいずれも予想外の結果をもたらしませんでした。

しかし、希望が完全に失われたわけではありません。

2018年、物理学者はトップクォーク、反トップクォーク、ヒッグス粒子の結合を実験的に実証した。トップクォークは最も重い素粒子であり、ヒッグス粒子との結合が最も強い。ここでは標準モデルからの大きな逸脱が起こる可能性が高くなります。残念ながら、2018 年の実験の結果も、またしても驚くべき結果はもたらしませんでした。

イライラします。

予想外の結果はありません。考えられる理由の 1 つは、実験結果の誤差が依然として比較的大きいことです。実験精度が向上すれば、予想外の現象が発見されるかもしれません。

しかし、実験結果により、ヒッグス粒子には複数の種類があるかもしれない、あるいはヒッグス粒子には内部構造があるかもしれないという大胆な考えが非常に信頼できるものであると物理学者たちはますます感じるようになった。

孤立粒子

素粒子物理学者は、標準モデルの欠点に対する特に有望な解決策を持っています。それは、超対称性です。超対称性理論では、すべての粒子にはパートナー粒子が存在します。 LHCが稼働する前、物理学者たちはLHCがそのようなパートナー粒子を発見できると期待していた。しかし、これまでのところ、何も達成されていません。超対称性理論は完全に否定されたわけではないが、あまり希望は残されていない。

標準モデルを超える理論は超対称性理論以外にもたくさんあり、どの理論が最も勝利する可能性が高いかはまだ明らかではありません。物理学者たちは、ヒッグス粒子の特性を測定することで標準モデルを超えた何かが明らかになり、新しい物理学への道が示されることを期待している。

物理学者が研究しているヒッグス粒子の特性の一つは、それが唯一無二であるかどうかである。

ヒッグス粒子は孤独に見える

他の素粒子はスピンを持っていますが、ヒッグス粒子はスピンがゼロです。スピンがゼロのボソンは「スカラー粒子」と呼ばれます。

他の粒子には近い親戚がいるのだから、ヒッグス粒子にもスカラーの親戚がいるべきではないでしょうか?超対称性理論は、他のいくつかの理論と同様に、複数のヒッグス粒子の存在を予測しています。一部の素粒子物理学者は、ヒッグス粒子は私たちが発見した最初のスカラー粒子に過ぎず、おそらく私たちが発見するのを待っているスカラー粒子のファミリーが存在するだろうと推測しています。

ヒッグス粒子は基本粒子ではなく、より多くの基本粒子で構成されている可能性もあります。 2 つの陽子と 2 つの中性子で構成されるアルファ粒子や、クォーク粒子で構成されるパイオンなど、一部の粒子は結合してスピンがゼロの粒子を形成することがあります。

素粒子物理学における最近の最も不可解な実験結果のいくつかは、ヒッグス粒子の特性に関連している可能性があります。

2021年、フェルミ国立加速器研究所は、標準モデルの予測と矛盾するミューオンの磁気特性に関する実験結果を報告した。 2022年4月、フェルミ国立加速器研究所は、Wボソンの質量が標準モデルで予測されているよりも大きいと報告しました。

これらの難しい質問の答えはヒッグス粒子にあるかもしれない。これは標準モデルで最近発見された粒子であり、最も研究されていない粒子であり、物質世界の究極の謎を解明する希望です。

自己結合

ヒッグス粒子は自分自身と相互作用するのでしょうか、つまり自己結合するのでしょうか?

ヒッグスの自己結合はまだ実験的に測定されていません。理論物理学者たちは関連する測定を期待しており、それが新たな物理学をもたらすと信じています。

ヒッグス自己結合はヒッグスポテンシャルと密接に関係しています。ヒッグスポテンシャルはヒッグス場のエネルギーを記述する関数です。この関数のグラフは、メキシカンハットとも呼ばれるつばの丸い帽子のように見えます。

ヒッグスポテンシャルはメキシカンハットのような形をしています。宇宙が誕生した当初、宇宙は帽子のてっぺんにあり、その後ゆっくりとつばの溝へと進化しました。この過程で、それぞれの素粒子は質量を獲得しました。

初期宇宙でヒッグス場が初めて生成されたとき、ヒッグスポテンシャルによって素粒子が質量を獲得する方法が決まりました。粒子が質量を持たない状態から質量を持つ状態へどのように変化するかを研究することは、宇宙に反物質よりも物質の方が多い理由を理解するのに役立ちます。

宇宙の初期にヒッグス場はどのような役割を果たしたのでしょうか?その答えはヒッグスポテンシャルにあります。

標準モデルによれば、ヒッグスポテンシャルの一次近似結果は、ヒッグス粒子とトップクォークの質量によって決定できます。現在の結果から判断すると、数十億年前、宇宙はヒッグスポテンシャルのグローバル最小点ではなくローカル最小点に入り、それは宇宙が準安定であることを意味します。将来、宇宙はもう一つの小さな極小点、つまり相転移に入り、それに応じて素粒子の質量が変化し、私たちが今よく知っている宇宙はまったく認識できないものになるでしょう。

しかし、今は悲観的になる必要はありません。標準モデルを超えるいくつかの理論は、いくつかの粒子とそれらの相互作用を予測し、それによってヒッグス場は異なる様相を呈し、宇宙の運命を救うことになる。

標準モデルによって得られた宇宙の安定性。中央の黒い点は現在の測定結果であり、3 つの楕円の面積はそれぞれ 1、2、3 標準偏差に対応します。

宇宙の過去と未来を理解するための重要な手がかりはヒッグスポテンシャルにあります。ヒッグス粒子の自己結合実験により、ヒッグスポテンシャルをより正確に理解できるようになります。

ヒッグス粒子の自己結合実験を行うには、ヒッグス粒子のペアを生成する必要があります。 LHC では、1 つのヒッグス粒子対を生成するのに 1,000 個の個別のヒッグス粒子が必要です。自己結合実験は非常に困難です。

LHCは高輝度大型ハドロン衝突型加速器（HL-LHC）にアップグレードされる予定ですが、これによってデータ量は10倍にしか増えません。自己結合実験では誤差はまだ大きいですが、いくつかの関連現象を生成することは可能です。

高エネルギー物理学界は、中国の円形電子陽電子衝突型加速器（CEPC）、日本の国際リニアコライダー（ILC）、欧州の将来円形衝突型加速器（FCC）、コンパクトリニアコライダー（CLIC）など、より強力な衝突型加速器プロジェクトを推進している。これらの衝突型加速器のいずれかが建設されれば、ヒッグス粒子やその他の粒子の特性を詳細に測定できるようになり、標準モデルを超えた新しい物理学の手がかりを発見できるかもしれない。

そのうちの 1 つが完成するまでには少なくとも 10 年はかかるでしょう。

将来の円形衝突型加速器の設置場所と規模の概略図

これは素粒子物理学であり、創意工夫と資金だけでなく忍耐も必要です。

参考文献

https://www.sciencenews.org/article/higgs-boson-particle-physics-standard-model-discovery-anniversary

https://www.symmetrymagazine.org/article/five-mysteries-the-standard-model-cant-explain

https://www.symmetrymagazine.org/article/four-things-physicists-still-wonder-about-the-higgs-boson

https://www.quantamagazine.org/the-physics-still-hiding-in-the-higgs-boson-20190304/

https://home.cern/science/physics/higgs-boson/ten-years

https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.4.20220630b/full/

制作：中国科学普及協会

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