ヒッグス機構

ヒッグス効果

ヒッグス効果は1968年に初めて理論化された。1964年には、3つのチームが、局所的なゲージ理論において質量がどのようにして発生するかを説明するために、関連するが異なるアプローチを提案する科学論文を書いた。

2013年、大型ハドロン衝突型加速器でヒッグス粒子、そして暗黙のうちにヒッグス効果が暫定的に証明された（ヒッグス粒子は2012年7月4日に発見された）。この効果は、標準模型の欠落した部分を発見したと見られています。

ゲージ理論（標準模型の基礎となる理論）によれば、力を媒介する粒子はすべて質量を持たないはずです。しかし、弱い力を媒介する力粒子は質量を持っています。これはヒッグス効果によるもので、SU(2)対称性が破られます（SUは行列の一種である特殊ユニタリーを表し、2は行列の大きさを表します）。

システムの対称性とは、回転や変位のようにシステムに行われる操作で、システムが根本的に変化しないことです。対称性とは、外部からの力が作用しない限り、何かが常にどのように行動すべきかのルールを提供することでもあります。例として、ルービックキューブがあります。ルービックキューブをスクランブルにして、好きな動きをすれば、まだ解くことができます。それぞれの手を動かしても、ルービックキューブは解けるので、これらの手はルービックキューブの「対称性」であると言えます。これらを合わせて、ルービックキューブの対称性群と呼んでいるものを形成している。これらの手を使ってもパズルは変わらず、常に解けるようになっています。しかし、キューブをバラバラにして、完全に間違った方法で元に戻すようなことをすれば、この対称性を崩すことができます。今、どんな手を使っても、立方体を解くことはできません。立方体を分解して、間違った方法で元に戻すことが「外力」です。この外力がなければ、キューブに何をしても解けない。ルービックキューブの対称性は、キューブを分解しない限り、どのような動きをしても解けるということです。

ヒッグス粒子の誕生

SU(2)の対称性が破られる方法を「自発的対称性破り」といいます。Spontaneousはランダムな、予想外のことを意味し、Symmetriesは変更されようとしているルールのことであり、Breakingは対称性がなくなったことを意味しています。SU(2)対称性が自発的に破られた結果、ヒッグス粒子になる可能性があります。

ヒッグス効果の理由

ヒッグス効果が起こるのは、自然がエネルギーが最も低い状態に「傾く」からである。ヒッグス効果が起こるのは、ヒッグス場の近くにあるゲージボゾンが最も低いエネルギー状態になりたがるからであり、これは少なくとも一つの対称性を破ることになる。

マスレス粒子に質量を与えることを正当化するために、科学者たちは通常とは違うことをしなければなりませんでした。彼らは、真空（空の空間）には実際にエネルギーがあると仮定し、我々が質量を持たないと考えている粒子がそこに入ってきた場合、真空からのエネルギーがその粒子に移って質量を与えると仮定しました。ジェフリー・ゴールドストーンという数学者は、対称性（例えば、ルービックキューブの対称性とは、解けるようにするためには角を常に0回か3回回転させなければならない（これはうまくいく）ということです）に違反すると、反応が起こることを証明しました。ルービックキューブの場合は、これに違反すると解けなくなります。ヒッグス場の場合、ジェフリー・ゴールドストーン（そして彼と一緒に働いていた南部陽一郎という別の科学者）にちなんで名付けられた何かが生成されます、南部-ゴールドストーン・ボゾンです。これは、真空の励起またはエネルギー的な形であり、上に示したものを明らかにするためにグラフ化することができます。これはピーター・ヒッグスによって最初に説明されました。