ヒッグス粒子はどこから来たのですか?

2012 年の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC)でのヒッグス粒子の発見は、理論物理学と実験物理学の勝利でしたが、その意味は理解され始めたばかりです。ATLASとCMSの共同研究による正確な測定は、素粒子の質量を生成する役割を担うこの基本的な粒子が、半世紀前の素粒子物理学の標準モデルによって予測されたとおりに動作することを示しています。しかし、ヒッグス粒子はどこから来るのでしょうか? そして、LHCが大量に生成できるほど軽いのはなぜですか? このような難問は、1 週間にわたるワークショップ「Exotic Approaches to Naturalness」で議論されました。、CERN 理論物理学部門が 1 月 30 日から 2 月 3 日まで主催しました。

ヒッグス粒子は、知られている中で最も単純な粒子であり、「真空のかけら」です。」 電荷もスピンもありません。すべての素粒子と同様に、それはフィールドと呼ばれるより基本的なエンティティの励起または量子です。これは、すべての空間を均一に満たす、独特の特徴のないBrout-Englert-Higgsフィールドです。この電場は、ビッグバンからわずか数ナノ秒後の画期的な「電弱」相転移の間に存在するようになったと理解されています。以前は、電子などの素粒子は光の速度で移動していましたが、質量の性質を吹き込んだこの量子糖蜜と相互作用することを余儀なくされた後、永遠に続きました。しかし、この図式が正しいとすれば、ヒッグス粒子自体は、既知の粒子とその親フィールドとの相互作用から質量を獲得するはずです。これらのいわゆる量子補正を合計すると、ヒッグス ボソン質量の値が観測値よりも何桁も大きいことが示唆されます。考えられるあらゆる実験の手の届かないところに置くことは別として、そのような重いヒッグスは、私たちが知っているような宇宙が形成されたことを許しません.

ヒッグス粒子が発見されるずっと前に、このパラドックス (電弱階層問題と呼ばれる) を認識し、標準モデルによって記述されたものを超える粒子と力が存在する可能性に導かれて、物理学者はさまざまな説明を考え出しました. 1つは、ヒッグス粒子が非常に強力な力によって一緒に保持された、より基本的なエンティティで構成されているため、量子補正の影響を回避できることです。もう1つは、時空が追加の「超対称」次元を持っていることです。これは、標準のものから厄介な量子補正を相殺する、粒子のまったく新しいミラーワールドの存在を意味します。しかし、これまでのところ、電弱階層問題に対するそのような「自然な」解決策の証拠は見つかっていません。

一般化された対称性、紫外線/赤外線の混合、弱重力予想、「魔法のゼロ」などの概念を利用して、ヒッグス粒子の質量やその他の物理学における不自然な数を説明しようとするエキゾチックな自然へのアプローチを入力してください。言葉が難解である場合、それは 2 月のワークショップの参加者が慣習に異議を唱え、知識の端にアイデアの種をまくように促されたためです。これには、自然性の概念を完全に拒否するものも含まれます。後者は、過去の成功からの根本的な断絶となるでしょう。結局のところ、ヒッグス粒子の質量だけが自然界の一見不自然な数というわけではありません。物理学者はかつて、電子の電気エネルギーが近距離で無限に大きくならない理由について当惑していましたが、その謎は発見とともに消えました。電子が非物理的な発散を相殺する反物質パートナー、陽電子。ヒッグス粒子の異常な質量は、宇宙の加速膨張の原因である宇宙定数の非常に小さいがゼロではない値に関連している可能性さえあります。

「このワークショップは、さまざまな物理システムと特に素粒子物理学の両方で、自然性の問題について新鮮な視点をもたらす素晴らしいフォーラムを提供してくれました」と、ワークショップの共催者である CERN のティム コーエンは述べています。「私たちのコミュニティは何十年もの間、ヒッグスの自然性の問題を熟考してきましたが、まだ正しいアイデアを見つけられていないと多くの人が考えています。自然が電弱階層問題にどのように対処してきたかを最終的に理解できれば、基礎物理学に対する私たちの見方や、私たちの学問分野が始まって以来私たちに役立ってきた還元主義哲学を変える何かを学ぶ可能性が非常に高くなります。」

理論家たちは想像力を自由に働かせますが、CERN ワークショップの結論は明らかでした。今後の道はデータによって導かれるということです。今後数年間で ATLAS と CMS によって収集されるヒッグス ボソンのより大きなサンプル、および LHC に従うことを提案された専用の「ヒッグス ファクトリー」での実験によって、物理学者はヒッグス ボソンとそれ自体の独特な相互作用を研究できるようになります。これは、Brout-Englert-Higgs 場の正確な形状と形、および電弱相転移の性質に関する情報を提供し、ヒッグス粒子が自然なのか、それとも私たちの存在に合わせて奇妙に微調整されているのかを教えてくれる可能性があります。

（リンク：https://home.cern/news/news/physics/where-does-higgs-boson-come）