ヒッグス粒子

ヒッグス粒子(ヒッグス粒子)は、物理学標準模型における粒子である。1960年代にピーター・ヒッグスは、この粒子が存在するかもしれないことを示唆した最初の人物でした。2013年3月14日、CERNの科学者たちがヒッグス粒子を発見したことを暫定的に確認した。

ヒッグス粒子は、既知の基本的な粒子をすべて記述した物理学のモデルである標準模型に含まれる17個の粒子の一つである。ヒッグス粒子はボソンです。ボソンは、すべての物理的な力を司る粒子と考えられています。他に知られているボゾンには、光子Wボゾン、Zボゾングルーオンなどがあります。科学者たちは、標準模型と重力を組み合わせる方法をまだ知らない。

ヒッグス場は素粒子物理学の理論にとって非常に重要な基本場である。電磁場のような他の知られている場とは異なり、ヒッグス場はほとんどどこでも同じ非ゼロの値をとる。ヒッグス場の存在の問題は、素粒子物理学の標準模型の最後の未検証部分であり、いくつかの人によると、「素粒子物理学の中心的な問題」であった。

ヒッグス粒子を検出するのは難しい。ヒッグス粒子は他の粒子に比べて非常に質量が大きいので、あまり長持ちしません。ヒッグス粒子を作るには非常に多くのエネルギーを必要とするため、通常はヒッグス粒子は存在しません。CERNの大型ハドロン衝突型加速器は、主にこのような理由で作られました。それは、2つの粒子の束をほぼ光速にまで高速化し(反対方向に移動)、互いに衝突するように軌道に乗せる前に、それらの粒子を設定します。

衝突するたびに、衝突した地点付近の検出器で検出される新しい粒子が次々と誕生します。ヒッグス粒子が出現して検出される可能性は、100億分の1という非常に小さな確率しかありません。ヒッグス粒子の証拠となる数少ない衝突を見つけるために、LHCは何兆個もの粒子を衝突させ、スーパーコンピューターは膨大な量のデータをふるいにかけています。

ヒッグス粒子は、エネルギーが作られたり破壊されたりすることはなく、その代わりにエネルギーが移動したり形を変えたりすることができるというエネルギー保存則に従っています。まず、エネルギーはヒッグス場と相互作用するゲージボゾンから始まります。このエネルギーは運動としての運動エネルギーの形をしています。ゲージボゾンがヒッグス場と相互作用した後は、速度が遅くなります。この減速により、ゲージボゾンの運動エネルギーは減少します。しかし、このエネルギーは破壊されるわけではありません。その代わりに、運動エネルギーは場に入り、質量エネルギーに変換され、質量に蓄えられたエネルギーとなる。作られた質量は、私たちがヒッグス粒子と呼んでいるものになることができます。この質量の量は、アインシュタインの有名な方程式E=mc2に由来しています(例えば、質量1kgは約90兆ジュールのエネルギーに相当します。ヒッグス場が作り出す質量エネルギーは、ゲージボゾンが減速して失った運動エネルギーと等しいので、エネルギーは保存されています。

ヒッグス粒子は、様々なSF小説の中で使われています。物理学者のレオン・リーデルマンは1993年に「神の粒子」と呼んだ。

ヒッグス粒子の相互作用をコンピュータで生成した画像Zoom
ヒッグス粒子の相互作用をコンピュータで生成した画像

ディスカバリー

2011年12月12日、大型ハドロン衝突型加速器のATLASとCMSの2つのチームは、ついにヒッグス粒子の存在を示唆する結果が出たと発表しましたが、それが本当かどうかは分かりませんでした。

2012年7月4日、大型ハドロン衝突型加速器のチームは、ヒッグス粒子と思われる粒子を発見したと発表しました。

2013年3月14日にチームは、はるかに多くのテストを行っていたし、彼らは今、新しい粒子がヒッグス粒子であると考えていると発表しました。

質問と回答

Q:ヒッグス粒子とは何ですか?


A: ヒッグス粒子は物理学の標準模型に含まれる粒子です。1960年代にピーター・ヒッグスによって初めて提案され、2013年3月14日にCERNの科学者によって存在が確認されました。標準模型に含まれる17個の粒子の1つで、物理的な力を司ると考えられているボソンです。

Q: ヒッグス場はどのように機能しているのですか?


A: ヒッグス場は、ほぼすべての場所でゼロでない値をとる基本的な場です。標準模型の最後の未検証部分であり、その存在は「素粒子物理学の中心問題」と見なされていた。ゲージボゾンはそれと相互作用すると減速し、その運動エネルギーは質量エネルギーを作るために使われ、ヒッグスボゾンと呼ばれるものになる。この過程はエネルギー保存則に従うもので、エネルギーは生成も破壊もされない代わりに、移動したり形を変えたりすることができるのです。

Q: なぜヒッグス粒子の検出が難しいのですか?


A: ヒッグス粒子は他の粒子に比べて非常に大きな質量を持っているので、あまり長くはもちません。作るのに大きなエネルギーが必要なため、通常は周りに存在しないのです。それを見つけるために、科学者はスーパーコンピューターを使って、CERNの大型ハドロン衝突型加速器(LHC)で何兆回もの粒子衝突から得られた膨大なデータをふるいにかけています。それでも、ヒッグスの痕跡が現れて検出される確率は100億分の1程度と言われています。

Q: 他に知られているボゾンは何ですか?


A: 他に知られているボゾンは、光子、Wボゾン、Zボゾン、グルーオンなどです。

Q: アインシュタインの方程式E=mc2は、運動エネルギーから質量エネルギーが生まれることとどのように関係しているのでしょうか?


A: アインシュタインの有名な方程式は、質量が非常に大きなエネルギーに等しいことを述べています(例えば、1kg=90兆ジュール)。ゲージボゾンがヒッグス場と相互作用して運動エネルギーが低下すると、同じ量の運動エネルギーが質量エネルギーに変換され、ヒッグス粒子と呼ばれるようになります。

Q: ヒッグス粒子の働きを理解する上で、SF小説はどのような役割を果たしているのでしょうか?


A: SFのストーリーにはしばしばヒッグス粒子が登場しますが、これらのストーリーは必ずしもヒッグス粒子がどのように働くかについての正確な科学的情報を提供しているわけではありません - これらは何よりも娯楽目的なのです

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