スカラー・ボソンとは、量子場がローレンツ変換の下でスカラーとして変換する粒子であり、固有の向きを持たず、スピンは0です。物理学でスカラー量は大きさだけで指定されます。一般向けの説明としては方向を持たない量を参照してください。古典的なスカラーの身近な例には質量や速度があり、その量子論的な対応物はスカラー場であり、その量子がスカラー・ボソンです。これらの粒子はボース＝アインシュタイン統計に従い、同じ量子状態を占有できます。

主な特徴

  • スピン：0。そのため、ベクトル・ボソンのような偏極自由度はありません。
  • 変換性：ローレンツ・ブーストと回転に対して不変な真のスカラーであり、あるいは擬スカラーの場合はパリティで符号が変わることがあります。
  • 相互作用：しばしばスカラー・ポテンシャルやフェルミオンへの湯川結合として現れ、ラグランジアンの中に自己相互作用項を持つこともあります。

標準模型で最もよく知られた例はヒッグス粒子で、2012年に大型ハドロン衝突型加速器で発見されたスカラー粒子です。ヒッグス場は自発的対称性の破れを通じて素粒子に質量を与え、ヒッグスは実験的に確認されたスカラー・ボソンとなっています。ほかのスカラー状態は、量子色力学における複合メソンとして、あるいは標準模型の拡張における仮説上の素粒子場として現れます。

理論上の役割と応用

スカラー場は、素粒子物理学と宇宙論で中心的な役割を果たします。仮説上のスカラー場であるインフラトンは、宇宙の急膨張のモデルで用いられます。単純な暗黒物質モデルでもスカラー候補が検討されます。モデル構築では、対称性の破れを変えたり、質量を生成したり、新しい相互作用を媒介したりするために、スカラーのシングレット、ダブレット、マルチプレットが導入されます。スカラー・ボソンの実験的なシグナルには、ベクトル・ボソンとは異なる特徴的な生成機構や崩壊パターンがあり、加速器実験での探索はこれらの経路に焦点を当てます。

重要な区別としては、スカラーと擬スカラー（パリティ奇）との違い、そしてスカラーとより高いスピンを持つボソン（スピン1のベクトル、スピン2のテンソル）との違いがあります。スカラー粒子はスピンの向きを持たないため、理論上のポテンシャルに組み込みやすいことが多い一方、その固有パリティや結合を決定するには慎重な実験的研究が必要です。ボソン全般の概要についてはボソンを参照してください。

スカラー場とその量子化の入門を求める読者は、標準的な教科書や概説資料を参照できます。技術的な議論では、スカラー・ボソンは場の演算子、ラグランジアン、相互作用項を通じて扱われます。基本的なスカラー概念の追加背景としては、方向を持たない量および関連項目が役立ちます。