ヒッグス粒子が10になる。なぜこの粒子が新しい物理を解き放つことができるのか

10年前、科学者は発表しました ヒッグス粒子の発見、これは素粒子（自然の最小の構成要素）が質量を持っている理由を説明するのに役立ちます。 素粒子物理学者にとって、これは数十年に及ぶ非常に困難な旅の終わりであり、おそらくこの分野の歴史の中で最も重要な結果でした。 しかし、この終わりはまた、実験物理学の新時代の始まりを示しました。

過去10年間で、ヒッグス粒子の特性の測定により、 素粒子物理学の標準模型 （粒子に関する私たちの最良の理論）。 しかし、それはまた、自然のより基本的な理論があるかどうかなど、このモデルの限界についての疑問を提起しました。

物理学者 ピーター・ヒッグス 素粒子の質量を与えるメカニズムの必然的な結果として、1964年から1966年までの一連の論文でヒッグス粒子を予測しました。 この理論は、粒子の質量が、ヒッグス場と呼ばれる場と相互作用する素粒子の結果であることを示唆しています。 そして同じモデルによれば、そのような場はヒッグス粒子も発生させるはずです。つまり、ヒッグス粒子がそこになかった場合、これは最終的に理論全体を偽造することになります。

しかし、この粒子を発見するのは難しいことがすぐに明らかになりました。 3人の理論物理学者がヒッグス粒子の性質を計算したとき、 彼らは謝罪で締めくくった。 「ヒッグス粒子の質量がわからないこと、そして他の粒子との結合がわからないことを実験家に謝罪します…これらの理由から、ヒッグス粒子の大規模な実験的探索を奨励したくありません。」

ヒッグス粒子を発見する重大なチャンスを伴う最初の実験が検索を開始するのに1989年までかかりました。 アイデアは、ヒッグス粒子がスイスのジュネーブにあるセルンの27 kmの長さのトンネルで作成できるような高エネルギーで粒子を粉砕することでした。これは、最大の電子陽電子（陽電子は電子とほぼ同じですが、反対の電荷を持つ）衝突型加速器です。これまでに構築されました。 それは11年間実行されましたが、その最大エネルギーはヒッグス粒子を生成するにはわずか5％低すぎることが判明しました。

一方、歴史上最も野心的なアメリカの衝突型加速器、 テバトロンは、シカゴに近いフェルミラボでデータの取得を開始しました。 テバトロンは、陽子（中性子とともに原子核を構成する）と反陽子（陽子とほぼ同じですが、反対の電荷を持つ）を、ジュネーブで達成されたエネルギーの5倍のエネルギーで衝突させました。 しかし、陽子と反陽子の衝突は多くの破片を生成し、データから信号を抽出することをはるかに困難にします。 2011年に、テバトロンは操作を停止しました–ヒッグス粒子は再び検出を逃れました。

2010年には、 大型ハドロン衝突型加速器 （LHC）は、テバトロンの7倍のエネルギーで陽子の衝突を開始しました。 最後に、2012年7月4日、Cernでの2つの独立した実験で、ヒッグス粒子の発見を宣言するのに十分なデータがそれぞれ収集されました。 翌年、ヒッグスと彼の協力者であるフランソワ・アングルト ノーベル賞を受賞 「素粒子の質量の起源の理解に寄与するメカニズムの理論的発見のために」。

これはほとんどそれを短く売ります。 ヒッグス粒子がなければ、素粒子物理学を最小のスケールで記述する理論的枠組み全体が崩壊します。 素粒子は質量がなく、原子も人間も太陽系も宇宙の構造もありません。

地平線上のトラブル

しかし、この発見は新しい根本的な問題を提起しました。 Cernでの実験は、ヒッグス粒子の調査を続けています。 その特性は素粒子の質量を決定するだけでなく、それらがどれほど安定しているかも決定します。 現状では、結果は次のことを示しています 私たちの宇宙は完全に安定した状態ではありません。 代わりに、融点の氷と同様に、宇宙は突然急速な「相転移」を起こす可能性があります。 しかし、氷が水に移行するように、固体から液体に移行するのではなく、これには、質量と宇宙の自然法則を決定的に変えることが含まれます。

それにもかかわらず、宇宙が安定しているように見えるという事実は、計算に何かが欠けている可能性があることを示唆しています-私たちがまだ発見していない何か。

メンテナンスとアップグレードのための3年間の休止の後、LHCでの衝突は、ヒッグス粒子の検出に使用されたもののほぼ2倍の前例のないエネルギーで再開されようとしています。 これは、安定している状態と急速に相転移している状態の間で、宇宙を見かけのナイフエッジから遠ざける欠落している粒子を見つけるのに役立ちます。

実験は他の質問にも答えるのに役立つでしょう。 ヒッグス粒子のユニークな性質は、それを暗黒物質、宇宙の物質の大部分を構成する目に見えない物質を発見するためのポータルにすることができますか？ 暗黒物質は充電されません。 そしてヒッグス粒子 相互作用のユニークな方法があります 充電されていない問題で。

同じユニークな特性により、物理学者はヒッグス粒子が基本的な粒子ではないのではないかと疑問を投げかけています。 重力、電磁気学、そして弱い核力と強い核力など、他の自然の力を超えた新しい未知の力があるでしょうか？ おそらく、これまで未知の粒子をヒッグス粒子と呼ばれる複合オブジェクトに結合する力ですか？

そのような理論は物議を醸すものに対処するのに役立つかもしれません 最近の測定結果 これは、一部のパーティクルが標準モデルが示唆するとおりに正確に動作しないことを示唆しています。 したがって、ヒッグス粒子を研究することは、標準模型を超える物理が発見されるかどうかを解明するために不可欠です。

最終的に、LHCはテバトロンと同じ問題に遭遇します。 陽子の衝突は厄介であり、それらの衝突のエネルギーはこれまでにしか到達しません。 高度な検出器、高度な検出方法、機械学習など、最新の素粒子物理学の完全な武器を自由に使用できますが、LHCが達成できることには限界があります。

ヒッグス粒子を生成するために特別に設計された将来の高エネルギーコライダーは、ヒッグス粒子が他のヒッグス粒子とどのように相互作用するかなど、その最も重要な特性を正確に測定することを可能にします。 これにより、ヒッグス粒子がそれ自体の場とどのように相互作用するかが決まります。 したがって、この相互作用を研究することは、粒子の質量を与える根本的なプロセスを調査するのに役立つ可能性があります。 理論的予測と将来の測定値の間の不一致 透き通った兆候になります まったく新しい物理学を発明する必要があるということです。

これらの測定は、衝突型加速器の物理学をはるかに超えた深刻な影響を及ぼし、暗黒物質の起源、宇宙の誕生、そしておそらくその究極の運命についての理解を導き、制約します。

この記事 マーティンバウアー、物理学准教授、 ダラム大学、 と スティーブンジョーンズ、物理学助教、 ダラム大学 から再発行されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で。 読む 原著。