ヒッグス場とは？質量発生の仕組みとヒッグス粒子の解説

ヒッグス場とは？ヒッグス粒子との相互作用で質量が生まれる仕組みを図解と最新実験で初心者にもわかりやすく解説

ヒッグス場は、宇宙のあらゆる領域に満たされていると考えられるスカラー場（値が数値で表される場）です。ヒッグス場の量子的励起は観測上の粒子であるヒッグス粒子（ヒッグスボゾン）として現れます。ヒッグス場は他の粒子と相互作用し、その結果としてそれらの粒子に「有効的な質量（静止質量）」が現れます。元の比喩のように、場の存在は物質の運動に抵抗する粘性のある媒体のように受け取られることがありますが、実際には場の性質と粒子の結合（結合定数）によって質量の大きさが決まります。なお、同じ文章にあった「基本粒子を伴っており」「糖蜜」などの表現は比喩であり、正確にはヒッグス粒子は場の励起であって“場が粒子を使う”わけではありません。

質量が生じる仕組み（ヒッグス機構）

ヒッグス機構は、素粒子物理学の標準模型における電弱相互作用の破れ（自発的対称性の破れ）を通じて働きます。簡潔に言うと次のようになります。

• ヒッグス場は真空中でゼロではない平均値（真空期待値）を持ちます。これは場が「空っぽ」でもある一定の値をとっていることを意味します（この値は約246 GeVに相当するスケールです）。
• 素粒子（電子やクォークなどのフェルミオン）はヒッグス場と「ユカワ結合」と呼ばれる結合でつながっており、その結合の強さに応じて有効質量が決まります。結合が強ければ質量は大きく、弱ければ小さくなります。
• 電弱のゲージボゾン（W±やZ）はヒッグス場との相互作用によって質量を獲得します。一方、電磁気力を担う光子（フォトン）はヒッグス場と結合しないため質量を持ちません。

ヒッグス粒子（ヒッグスボゾン）について

ヒッグス粒子はヒッグス場の励起（場の振動の1量子）として観測されるもので、2012年に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でその候補が検出されました。観測された質量は約125 GeV/c²で、これは標準模型のヒッグス場の存在を強く支持する結果です。ヒッグス粒子は他の粒子に崩壊する様々なチャンネルを持ち、これらの崩壊確率を詳しく調べることで場の性質や標準模型の整合性を検証できます。

よくある誤解と補足

• 「質量はヒッグス場が作り出す」か？
  厳密にはヒッグス機構は素粒子に静止質量を与える仕組みですが、「物質のすべての質量がヒッグスで説明される」わけではありません。例えば陽子や中性子の質量の大部分は、内部のクォークとグルーオンの結合エネルギー（量子色力学の動的効果）から来ています。
• 無から物質を作るわけではない
  ヒッグス機構は新たにエネルギーや物質を無から創り出すものではありません。質量エネルギー保存や他の保存則は成り立ちます（無から生成することは保存則に違反する）。ヒッグス場との相互作用により、粒子の運動に対する「寄与」（有効質量）が決まる、という理解が正しいです。
• 重力との関係
  ヒッグス場の有無が直接的に重力の存在を左右するわけではありません。重力は一般相対性理論に基づきエネルギー・運動量が時空を曲げることで生じます。ヒッグス機構は素粒子の質量に関与しますが、たとえ標準模型の姿が違っていても、エネルギーや運動量を持つものがあれば重力場は存在し得ます。
• 光（光子）について
  光子は標準模型でヒッグス場と結合しないため質量を持ちません。したがって光は真空中では常に光速で伝わります（媒質中やプラズマでは群速度や有効質量のような振る舞いを示すことはありますが、これは別の効果です）。
• ニュートリノの質量
  ニュートリノが微小な質量を持つことは実験で示されていますが、その起源は標準模型の単純なユカワ結合だけでは説明が難しい場合があります。異なる機構（例えばシーソー機構）で説明されることも検討されています。

実験的確認と現在の課題

ヒッグス粒子の発見はヒッグス場の存在を強く支持しますが、まだ調べるべき点は多く残っています。ヒッグス粒子の性質（スピン・パリティ、他粒子への結合強度、自己結合など）を高精度で測ることで、標準模型を越えた新しい物理（暗黒物質や電弱スケールのより深い理論）が示唆される可能性があります。

まとめると、ヒッグス場とヒッグス機構は素粒子に静止質量を与える重要な仕組みです。しかし「すべての質量を作る」「重力を生む」といった単純化は誤解を招きます。実験と理論研究を通じて、その詳細な性質の解明が現在も進行中です。

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。

いわゆる「メキシカンハットの可能性

質問と回答

Q: ヒッグス場とは何ですか?

Q: ヒッグス場に関連する基本粒子は何ですか?

Q: 粒子がヒッグス場と相互作用するとどうなるのですか?

Q: ヒッグス場は質量を発生させるのですか?

Q: 粒子がヒッグス場から質量を得た場合、どのような結果になるのですか?

Q: もしヒッグス場が存在しなかったらどうなるのですか?

Q: ヒッグス効果とは何ですか?

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