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ヒッグス粒子(神の粒子)

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詳細 2016年4月3日 02:56更新

ヒッグス粒子

ヒッグス粒子(ヒッグスりゅうし、Higgs boson)とは、ヒッグス場を量子化して得られる粒子である。LHCの衝突実験で、およそ10兆回に1回しか生成されないと言われている。2011年12月、ヒッグス粒子は「一瞥された」と発表した。[1][2][3][4][5][6][7][8][9]

ヒッグス場とは、1964年にエディンバラ大学のピーター・ウェア・ヒッグスによって提唱された、素粒子の質量獲得に関する理論に現れる場についての仮説である。ヒッグス場によって質量を獲得するメカニズムをヒッグス機構と呼ぶ。[10]

ヒッグス機構では、宇宙の初期の状態においてはすべての素粒子は自由に動きまわることができ質量がなかったが、自発的対称性の破れが生じて真空に相転移が起こり、真空にヒッグス場の真空期待値が生じることによってほとんどの素粒子がそれに当たって抵抗を受けることになったとする。これが素粒子の動きにくさ、すなわち質量となる。質量の大きさとは宇宙全体に広がったヒッグス場と物質との相互作用の強さであり、ヒッグス場というプールの中に物質が沈んでいるから質量を獲得できると見なすのである。光子はヒッグス場からの抵抗を受けないため相転移後の宇宙でも自由に動きまわることができ質量がゼロであると考える。

ニュース等では「対称性の破れが起こるまでは質量という概念自体が存在しなかった」などと紹介される事があるが、正確ではない。電荷、フレーバー、カラーを持たない粒子、標準模型の範囲内ではヒッグス粒子それ自体および右巻きニュートリノはヒッグス機構と関係なく質量を持つことが出来る。また、重力と質量の関係・すなわち重力質量発生のしくみは空間の構造によって定められるものであり、標準模型の外部である一般相対性理論、もしくは量子重力理論において重力子の交換によって説明されると期待される。

ヒッグス場が存在すれば、ウィークボソンに質量があることを説明することができ、しかもヒッグス機構によるWボソンとZボソンの質量比が実験結果と一致するため、素粒子の標準模型に組み入れられ、その検証を目指した実験が行われてきている。詳細はワインバーグ=サラム理論を参照。

ヒッグス場を量子化して得られるのがヒッグス粒子(ヒッグス・ボソン)であり、素粒子の標準模型の中でも最後まで未発見の粒子であり、その発見は高エネルギー加速器実験の最重要の目的のひとつとなっており、2008年より稼働したLHC加速器での発見が期待されていた。2011年12月、CERNは、2つの研究グループが示したLHCの10月末までの実験データ中に、ヒッグス粒子の存在を示すとみられるデータがあることが分かり、12日、ヒッグス粒子は「一瞥された」と発表した。

高次の対称性が破れ低次の対称性に移る際、ワイン底型ポテンシャルの底の円周方向を動くモードは軽いが、ワイン底を昇るモードにはたくさんのエネルギーが必要である。そのうちの前者を南部・ゴールドストンボソンと呼ぶ。対称性が保たれている状態においてヒッグズ場は複素スカラー2つで計4つの自由度を持つが、対称性の破れによって3つの南部・ゴールドストンボソンが生じ、3つのウィークボソンW+・W-・Zに、それぞれの一成分としてとりこまれる。実験検証の望まれているヒッグス粒子はワイン底を昇るほうのモードに対応するものである。

レオン・レダーマンの本のタイトル「The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? 」にちなみ、ヒッグス粒子はよくマスコミに「神の粒子」として紹介される。 レダーマンは最初この粒子を「goddamn particle(いまいましい粒子)」と呼ぼうとしたが、編集者はその名を望まなかった。 神の粒子という呼び方は素粒子物理とラージ・ハドロン・コライダーに対するマスコミの興味を引くことにはおそらく役に立ったが、多くの物理学者はこの呼び方が嫌いである。 この呼び方は粒子の重要性を誇張しているが、この粒子が見つかっても量子色力学、電弱相互作用と重力の統一理論を作る答えにはならないし、宇宙の究極の起源に対して答えを与えないからである。

イギリスの新聞ガーディアンの科学記者が実施した別名投票で、多くの候補の中から選ばれた最も妥当な名前は「シャンパン・ボトル・ボソン」である。 シャンパン・ボトルの底はヒッグス・ポテンシャルの形であり、物理の講義でもよく説明に使われる。 あきれかえるほど誇張した名前ではないが、覚えやすく、多くの物理に関連がある(例えば、ハドロンに質量を与える南部理論(カイラル対称性の自発的破れ)にも現れる。また、カイラル対称性の自発的破れのアイディアは、南部が超伝導の理論であるBCS理論に触発されたものだが、BCS理論に出てくるポテンシャルもシャンパン・ボトルの形である)。

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2011年12月14日

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