ヒッグス粒子
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ヒッグス粒子
LHCにおける陽子衝突によるヒッグス粒子候補事象。CMS実験における上側の事象は2つの光子への崩壊（黄色の破線と緑の塔）を示している。ATLAS実験における下側の事象は4つのミューオンへの崩壊（赤い軌跡）を示している。[ a ]
構成素粒子
統計ボーズ・アインシュタイン統計
家族スカラーボソン
シンボルH0
理論化されたR. ブロート、F. イングラート、P. ヒッグス、GS グラルニク、CR ハーゲン、およびTWB キブル(1964)
発見した大型ハドロン衝突型加速器（2011～2013年）
質量125.11 ± 0.11 GeV/ c 2 [ 1 ]
平均寿命1.56 × 10 −22 秒[ b ] （予測値）
1.2～4.6 × 10 −22 秒（暫定的に3.2シグマ（1000分の1）の有意水準で測定） [ 3 ] [ 4 ]
崩壊して
電荷0  e
カラーチャージいいえ
スピン0  ħ ‍ [7 ] [ 8 ]
パリティ+1 [ 7 ] [ 8 ]
Cパリティ+1

ヒッグス粒子は、ヒッグス粒子とも呼ばれ、[ 9 ] [ 10 ]素粒子物理学の標準モデルにおける素粒子であり、ヒッグス場[ 11 ] [ 12 ]素粒子物理学理論における場の 1 つである。[ 12 ]標準モデルでは、ヒッグス粒子は、ヒッグス場との相互作用から質量が生じる粒子と結合 (相互作用) する大質量スカラー粒子であり、スピンがゼロで、パリティが偶数(正) 、電荷が存在せず、色荷も存在しない。[ 13 ]また、非常に不安定であり、生成されるとすぐに他の粒子に 崩壊してしまう。

ヒッグス場は、2つの中性成分と2つの荷電成分を持つスカラー場であり、弱アイソスピンSU(2)対称性の複素二重項を形成する。その「ソンブレロポテンシャル」は、ヒッグス場があらゆる場所（空虚空間を含む）で非ゼロ値を取るように導き、電弱相互作用の弱アイソスピン対称性を破り、ヒッグス機構を介して、ヒッグス粒子自身を含む標準模型のすべての質量を持つ素粒子に静止質量を与える。ヒッグス場の存在は、素粒子物理学の標準模型における最後の未検証部分となり、数十年にわたり「素粒子物理学における中心的問題」と考えられてきた。[ 14 ] [ 15 ]

ヒッグス場とボソンはどちらも物理学者ピーター・ヒッグスにちなんで名付けられました。ヒッグスは1964年、3つのチームの他の5人の科学者とともに、一部の粒子が質量を獲得する方法であるヒッグス機構を提唱しました。当時知られているすべての基本粒子[ c ]は、非常に高いエネルギーでは質量がゼロになるはずですが、一部の粒子が低エネルギーで質量を獲得する仕組みを完全に説明することは極めて困難でした。これらの考えが正しければ、スカラーボソン（特定の特性を持つ）と呼ばれる粒子も存在するはずです。この粒子はヒッグス粒子と呼ばれ、ヒッグス場が正しい説明かどうかを検証するために使用できます。

40年にわたる探索の後、2012年、スイス・ジュネーブ近郊の欧州原子核研究機構（ CERN ）にある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験とCMS実験によって、期待される特性を持つ素粒子が発見されました。この新粒子はその後、ヒッグス粒子の期待特性と一致することが確認されました。3つのチームのうち2人の物理学者、ピーター・ヒッグスとフランソワ・アングレールは、理論的予測により2013年のノーベル物理学賞を受賞しました。ヒッグスの名前はこの理論と結び付けられるようになりましたが、1960年から1972年頃にかけて、複数の研究者が独立してこの理論の異なる部分を発展させていました。

メディアでは、ヒッグス粒子は、ノーベル賞受賞者のレオン・M・レーダーマンが1993年に出版した著書『神の粒子』にちなんで、「神の粒子」と呼ばれることが多い。この名称は、ピーター・ヒッグス[ 18 ]を含む物理学者[ 16 ] [ 17 ]から批判されてきた。

導入

標準モデル

物理学者は、宇宙の基本的な粒子と力を標準モデルを用いて説明します。標準モデルは、量子場理論に基づく広く受け入れられた枠組みであり、重力を除くほぼすべての既知の粒子と力を非常に正確に予測します。（重力については、一般相対性理論という別の理論が用いられます。）標準モデルでは、自然界の粒子と力（重力を除く）は、ゲージ不変性と対称性として知られる量子場の特性から生じます。標準モデルにおける力は、ゲージボソンと呼ばれる粒子によって伝達されます。[ 19 ] [ 20 ]

ゲージ不変理論と対称性

「物理学は対称性の研究であると言うのは、少し大げさな言い方かもしれない」 -フィリップ・アンダーソン、ノーベル物理学賞受賞者[ 21 ]

ゲージ不変理論は、特定の量の変化が実験結果に影響を与えないという有用な特徴を持つ理論です。例えば、電磁石の電位を100ボルト増加させても、それ自体が生成する磁場には何の変化も生じません。同様に、真空中で測定される光速度は、時間と空間の位置、そして局所的な重力場がどのようなものであっても変化しません。

これらの理論において、ゲージは変化しても結果に影響を与えない量です。この結果が何らかの変化から独立していることはゲージ不変性と呼ばれ、これらの変化は基礎となる物理学の対称性を反映しています。これらの対称性は、物理世界の基本的な力と粒子に制約を与えます。したがって、ゲージ不変性は素粒子物理学理論において重要な性質です。ゲージ対称性は保存則と密接に関連しており、群論を用いて数学的に記述されます。量子場の理論と標準模型はどちらもゲージ不変理論です。つまり、ゲージ対称性によって宇宙の性質を理論的に導出できるということです。

ゲージボソンの静止質量問題

ゲージ不変性に基づく量子場理論は、電磁力と強い力の理解に大きな成功を収めてきたが、1960年頃までに、弱い力（および電磁力との組み合わせで電弱相互作用として知られる）に対するゲージ不変理論を構築する試みはすべて失敗に終わった。これらの失敗の結果、ゲージ理論は評判を落とし始めた。問題は、これら2つの力に対する対称性要求から、弱い力のゲージボソン（WとZ）の質量がゼロであると誤って予測されていたことにあった（素粒子物理学の専門用語では、「質量」は粒子の静止質量を指す）。しかし、実験により、WとZのゲージボソンは非ゼロ（静止）質量を持つことが示された。[ 22 ]

さらに、多くの有望な解決策はゴールドストーンボソンと呼ばれる余分な粒子の存在を必要とするように思われましたが、証拠はこれらの粒子が存在しないことを示唆していました。これは、ゲージ不変性が誤ったアプローチであるか、あるいは何か未知のものが弱い力のWボソンとZボソンに質量を与えており、しかもそれがゴールドストーンボソンの存在を示唆しない方法で行われていることを意味していました。1950年代後半から1960年代初頭にかけて、物理学者たちはこれらの問題をどのように解決するか、あるいは素粒子物理学の包括的な理論をどのように構築するかについて途方に暮れていました。

対称性の破れ

1950年代後半、南部陽一郎は、対称系が非対称になる過程である自発的対称性の破れが特定の条件下で起こり得ることを認識した。 [ d ]対称性の破れとは、すべての安定構成の空間が特定の対称性を備えているものの、安定構成が個別にはその対称性を備えていない場合など、ある変数が基礎法則の対称性を反映しない値を取ることである。[ e ] 1962年、凝縮物質物理学の専門家である物理学者フィリップ・アンダーソンは、対称性の破れが超伝導において役割を果たしていることを観察し、それが素粒子物理学におけるゲージ不変性の問題に対する答えの一部になる可能性も示唆した。

具体的には、アンダーソンは、対称性の破れによって生じるゴールドストーンボソンが、状況によっては質量のないWボソンとZボソンに「吸収」される可能性があると示唆した[ f ]。もしそうなら、ゴールドストーンボソンは存在せず、WボソンとZボソンは質量を獲得し、両方の問題を同時に解決できる可能性がある。同様の挙動は超伝導において既に理論化されていた[ 23 ] 。1964年、物理学者アブラハム・クラインとベンジャミン・リーは、少なくともいくつかの限定された（非相対論的）ケースにおいて、これが理論的に可能であることを示した[ 24 ] 。

ヒッグス機構

1963年の論文[ 25 ]と1964年初頭の論文[ 24 ]に続き、3つの研究グループが独立してこれらの理論をより完全に発展させ、1964年PRL対称性の破れの論文として知られるようになった。3つのグループはすべて、限られたケースだけでなく、すべてのケースにおいて同様の結論に達した。彼らは、宇宙全体に異常なタイプの場が存在する場合、電弱対称性の条件は「破れる」ことを示し、実際、ゴールドストーンボソンは存在せず、既存のボソンの一部は質量を獲得するだろうと示した。

これが起こるために必要な場（当時は全くの仮説であった）は、研究者の一人であるピーター・ヒッグスにちなんでヒッグス場として知られるようになり、それが対称性の破れにつながるメカニズムはヒッグス機構として知られるようになった。必要な場の重要な特徴は、他のすべての既知の場と異なり、場のエネルギーがゼロでないときのほうがゼロのときよりも低いということである。したがって、ヒッグス場はどこでもゼロでない値（または真空期待値）を持つ。このゼロでない値は理論上は電弱対称性を破ることができる。これは、ゲージ不変理論の範囲内で、弱い力のゲージボソンが、その支配的な対称性にもかかわらず質量を持つことができる理由を示すことができた最初の提案であった。

これらのアイデアは、当初は支持も注目もあまり得られなかったが、1972年までには包括的な理論に発展し、当時知られていた粒子を正確に記述する「理にかなった」結果をもたらし、その後数年間に発見された他のいくつかの粒子を非常に正確に予測した。[ g ] 1970年代には、これらの理論が急速に素粒子​​物理学の 標準モデルとなった。

ヒッグス場

標準モデルには、対称性の破れを可能にするために、電弱対称性を「破り」、粒子に正しい質量を与えるために必要な種類の場が含まれています。ヒッグス場として知られるようになったこの場は、空間全体に存在し、電弱相互作用のいくつかの対称性法則を破り、ヒッグス機構を誘発すると仮定されました。したがって、この場は、非常に高い値以下のすべての温度で、弱い力のWゲージボソンとZゲージボソンに質量を与えます。[ h ]弱い力のボソンが質量を獲得すると、これがボソンの自由移動距離に影響を与え、非常に小さくなり、これも実験結果と一致します。[ i ]さらに、後に、同じ場が、物質の他の基本構成要素（電子やクォークを含む）が質量を持つ理由も、別の方法で説明できることが認識されました。

電磁場などの他のすべての既知の場とは異なり、ヒッグス場はスカラー場であり、真空中ではゼロ以外の平均値を持ちます。

「中心的な問題」

ヒッグス粒子の発見以前は、ヒッグス場の存在を示す直接的な証拠はなかったが、直接的な証拠がなくても、標準模型の予測の正確さから、科学者たちはその理論が正しいかもしれないと信じるようになった。1980年代までに、ヒッグス場の存在、そして標準模型全体が正しいかどうかという問題は、素粒子物理学における最も重要な未解決問題の一つとみなされるようになった。ヒッグス場の存在は、素粒子物理学の標準模型における最後の未検証部分となり、数十年にわたり「素粒子物理学における中心的な問題」と考えられていた。[ 14 ] [ 15 ]

数十年にわたり、科学者たちはヒッグス場の存在を断定する術を持っていませんでした。当時、ヒッグス場の検出に必要な技術が存在しなかったからです。もしヒッグス場が存在するとすれば、それは他の既知の基本場とは異なるものとなるでしょう。しかし、これらの重要な概念、あるいは標準模型全体が何らかの理由で誤っている可能性もありました。[ j ]

仮説ヒッグス理論はいくつかの重要な予測を立てた。[ g ] [ 27 ] : 22 重要な予測の一つは、ヒッグス粒子と呼ばれる対応する粒子も存在するはずであるというものだ。ヒッグス粒子の存在を証明すれば、ヒッグス場の存在が証明され、ひいては標準模型の証明につながる。そのため、ヒッグス場自体の存在を証明する手段として、ヒッグス粒子の広範な探索が行われた。 [ 11 ] [ 12 ]

検索と発見

ヒッグス場はどこにでも存在し、ゼロではないが、その存在を証明することは決して容易ではない。原理的には、ヒッグス粒子（ヒッグス粒子）として現れるヒッグス場の励起を検出することで存在を証明できるが、ヒッグス粒子は生成に必要なエネルギーと、十分なエネルギーがあっても生成されることが非常にまれなため、生成と検出が極めて困難である。したがって、ヒッグス粒子の最初の証拠が見つかるまでには数十年を要した。ヒッグス粒子を探すことができる粒子加速器、検出器、コンピュータの開発には、30年以上（ 1980年頃～2010年）かかった。この根本的な問題の重要性から、40年にわたる探索と、ヒッグス粒子やその他の粒子を観測と研究のために生成する試みとして、現在までに世界で最も高価で複雑な実験施設の1つであるCERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の建設が行われた [ 28 ] 。

2012年7月4日、質量が125  GeV/ c 2と127 GeV/ c 2のエネルギーが発表されたとき、物理学者たちはそれがヒッグス粒子ではないかと疑った。[ 29 ] [ k ] [ 30 ] [ 31 ]それ以来、この粒子は、標準モデルでヒッグス粒子に予測されている多くの挙動、相互作用、崩壊を示すことが示されており、その中には偶数パリティとゼロスピン[ 7 ] [ 8 ]というヒッグス粒子の2つの基本的な特性も含まれている。これはまた、自然界で発見された最初の素粒子であることを意味する。[ 32 ]

2013年3月までにヒッグス粒子の存在が確認され、宇宙全体に何らかのヒッグス場が存在するという概念が強く支持されるようになりました。[ 29 ] [ 31 ] [ 7 ]実験によって確認されたこの場の存在は、相互作用を制御する対称性から「質量がない」はずであるにもかかわらず、一部の基本粒子が（静止）質量を持つ理由を説明します。また、弱い力の粒子の移動距離が極めて短い理由、ひいては弱い力の到達範囲が極めて短い理由など、長年の懸案であったいくつかの問題も解決します。2018年現在、詳細な研究により、この粒子は標準模型のヒッグス粒子の予測に沿った挙動を示し続けていることが示されています。発見された粒子が予測されたすべての特性を持つのか、あるいは一部の理論で説明されているように複数のヒッグス粒子が存在するのかを、より高精度に検証するには、さらなる研究が必要です。[ 33 ]

この場の性質と特性については、LHCで収集されたより多くのデータを使用してさらに調査されています。[ 34 ]

解釈

ヒッグス場とヒッグス粒子を説明するために、虹やプリズム、電場、水面の波紋 など、よく知られた対称性を破る効果との類推を含むさまざまな類推が使われてきました。

媒体中を移動する巨視的物体の抵抗に基づく他の類推（群衆の中を移動する人々、またはシロップや糖蜜の中を移動する物体など）はよく使用されますが、誤解を招く可能性があります。なぜなら、ヒッグス場は実際には粒子に抵抗せず、質量の影響は抵抗によって引き起こされるものではないためです。

ヒッグス粒子と場の特性の概要

ヒッグス場のソンブレロポテンシャルは、いくつかの粒子が質量を獲得する原因です。

標準模型では、ヒッグス粒子は質量を持つスカラー粒子であり、その質量は実験的に調べられる必要がある。その質量は125.35 ± 0.15 GeV/ c 2 CMS (2022) [ 35 ]およびATLAS (2023)による報告では、 125.11 ± 0.11 GeV/ c 2 と報告されています。これは、非常に高いエネルギーでも質量を維持する唯一の粒子です。スピンはゼロ、パリティは偶数（正）、電荷と色荷はゼロで、質量と相互作用します。[ 13 ]また、非常に不安定で、いくつかの経路を経てほぼ瞬時に他の粒子に崩壊します。

ヒッグス場はスカラー場であり、2つの中性成分と2つの荷電成分から成り、弱アイソスピンSU(2)対称性の複素二重項を形成します。他の既知の量子場とは異なり、ヒッグス場はソンブレロポテンシャルを持ちます。この形状は、極めて高いクロスオーバー温度以下では、ビッグバンの最初のピコ秒（10 −12 秒）に観測されたもののような159.5 ± 1.5  GeV/ k B [ 36 ]では、基底状態のヒッグス場は非ゼロのときのエネルギーが低くなり、真空の期待値 が非ゼロになります。したがって、今日の宇宙では、ヒッグス場はどこでも（空の空間も含め）非ゼロの値を持ちます。この非ゼロの値は今度は、電弱相互作用の弱いアイソスピン SU(2) 対称性をあらゆる場所で破ります。（技術的には、非ゼロの期待値はラグランジアンの湯川結合項を質量項に変換します。）これが起こると、ヒッグス場の 3 つの成分が SU(2) および U(1)ゲージボソン（ヒッグス機構）に「吸収」され、弱い力の今や質量を持ったW ボソンと Z ボソンの縦方向成分になります。残りの電気的に中性な成分はヒッグス粒子として現れるか、フェルミオンと呼ばれる他の粒子と別々に結合して（湯川結合を介して）、フェルミオンにも質量が加わる。 [ 37 ]

ヒッグス粒子の発見以来、多くの特性に関する知識は飛躍的に進歩しましたが、ヒッグス粒子の自己結合は未だ測定されていません。標準模型におけるヒッグスポテンシャルの形状には、三次式と四次式の両方の自己結合が含まれており、これらはポテンシャルの完全な形状、ヒッグス場、そしてEWSBの性質を理解する上で鍵となります。ヒッグス粒子対生成は、電弱スケールにおける自己結合λを直接的に実験的に調べる手段となります。

意義

ヒッグス場とその特性に関する証拠は、多くの理由から極めて重要である。ヒッグス粒子の第一の重要性は、重い電弱粒子が質量を獲得するメカニズムを完成させることであり、その質量は既存の実験技術を用いて検証可能なほど大きく、ヒッグス場理論全体を検証・研究する手段として有用である。[ 11 ] [ 12 ]逆に、ヒッグス場と粒子が期待される質量範囲内に存在しなかったという証拠もまた、重要であったであろう。

素粒子物理学

標準モデルの検証

ヒッグス粒子は、標準模型における弱粒子の質量生成メカニズムを実証し、フェルミオンに質量を与えることができます。その特性のより精密な測定が進むにつれて、より高度な拡張が示唆されるか、あるいは排除される可能性があります。ヒッグス場の挙動と相互作用を測定する実験的手段が開発されるにつれて、この基本的な場の理解は深まるでしょう。もしヒッグス粒子が発見されていなかったら、標準模型は修正されるか、あるいは置き換えられなければならなかったでしょう。

これに関連して、多くの物理学者の間では、標準模型を超える「新しい」物理学が存在する可能性があり、標準模型はいずれ拡張されるか、あるいは置き換えられるだろうという確信が広く共有されています。ヒッグス粒子の発見、そしてLHCで測定された多くの衝突は、物理学者に標準模型の破綻を示す証拠をデータから探すための高感度なツールを提供し、将来の理論発展を導く重要な証拠となる可能性があります。

電弱相互作用の対称性の破れ

極めて高い温度以下では、電弱対称性の破れにより、電弱相互作用の一部が短距離の弱い力として現れ、これは質量を持つゲージボソンによって運ばれる。宇宙の歴史において、電弱対称性の破れはビッグバンから約1ピコ秒（10 −12秒）後に起こったと考えられており、その当時、宇宙は159.5 ± 1.5  GeV/ k B [ 38 ]この対称性の破れは、原子やその他の構造の形成、そして太陽のような恒星における核反応に必要です。この対称性の破れはヒッグス場によって生じます。

粒子質量取得

ヒッグス場は、クォークと荷電レプトン（湯川結合による）、そしてWゲージボソンとZゲージボソン（ヒッグス機構による）の質量生成において極めて重要な役割を果たします。しかし、最も重要なのは弱ボソンの質量生成です。標準模型のラグランジアンにフェルミオン質量生成を可能にする項を与えることは、有用ではあるものの、それほど重要ではない副産物でした。フェルミオン質量は手動で入力する必要があり、本質的にはフェルミオンとヒッグス場の結合の相対的な強さを決定します。

ヒッグス場は何も無いところから質量を「創造」するわけではなく、またヒッグス場がすべての粒子の質量を決定づけるわけでもありません。例えば、重粒子（陽子や中性子などの複合粒子）の質量の約99%は、量子色力学的結合エネルギー、すなわちクォークの運動エネルギーと、重粒子内部で強い相互作用を媒介する質量のないグルーオンのエネルギーの和に起因しています。 [ 39 ]ヒッグスに基づく理論では、「質量」という性質は、基本粒子がヒッグス場と相互作用（「結合」）する際に伝達される位置エネルギーの現れです。 [ 40 ]

スカラー場と標準モデルの拡張

ヒッグス場は検出される唯一のスカラー（スピン0）場である。標準モデルの他のすべての基本場はスピン0である。 1 /2⁠フェルミオンまたはスピン1ボソン。[ l ]ヒッグス粒子が発見された当時のCERN所長ロルフ＝ディーター・ホイヤー によると、このスカラー場の存在証明は、ヒッグス粒子が他の粒子の質量を決定する役割とほぼ同等に重要である。これは、インフレーションからクインテッセンスまで、他の理論によって示唆された他の仮説的なスカラー場も存在する可能性があることを示唆している。[ 41 ] [ 42 ]

宇宙論

インフレーション

ヒッグス場とインフラトン（宇宙誕生の最初の数分の一秒（「インフレーション期」として知られる）における空間膨張 の説明として提唱された仮説上の場）との関連性については、相当な科学的研究が行われてきた。いくつかの理論では、この現象の原因は基本的なスカラー場にあると示唆されている。ヒッグス場はまさにそのような場であり、その存在は、ビッグバンにおける宇宙の指数関数的膨張の原因であるインフラトンでもあるかどうかを分析する論文につながった。こうした理論は非常に暫定的で、ユニタリー性に関する重大な問題に直面しているが、大きな非最小結合、ブランス・ディッケ・スカラー、あるいは他の「新しい」物理学といった追加的な特徴と組み合わせれば実現可能となる可能性があり、ヒッグス・インフレーション・モデルが理論的に依然として興味深いものであることを示唆する扱いを受けている。

宇宙の性質とその可能性のある運命

ヒッグス粒子とトップクォークの質量を示す図。これは、私たちの宇宙が安定しているか、それとも長寿命の「バブル」であるかを示す可能性がある。2012年時点では、テバトロンとLHCのデータに基づく2σ楕円は、依然として両方の可能性を許容している。 [ 43 ]

標準モデルでは、私たちの宇宙の根底にある状態、いわゆる「真空」は長寿命であるものの、完全に安定しているわけではない可能性がある。このシナリオでは、私たちが知っている宇宙は、より安定した真空状態へと崩壊することで事実上破壊される可能性がある。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]これは、ヒッグス粒子が宇宙を「終わらせる」と誤って報告されることもあった。[ m ]ヒッグス粒子とトップクォークの質量がより正確に分かっており、標準モデルがプランクスケールの極限エネルギーまでの素粒子物理学を正確に記述するならば、真空が安定しているのか、それとも単に長寿命なのかを計算することが可能である。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]ヒッグス質量125～127 GeV/ c 2は安定性の境界に非常に近いように思われるが、決定的な答えを得るにはトップクォークの極質量のより正確な測定が必要である。 [ 43 ]新しい物理学はこの図を変える可能性がある。[ 54 ]

もしヒッグス粒子の測定結果が、我々の宇宙がこの種の偽の真空の中にあることを示唆するならば、それはおそらく数十億年後には[ 55 ] [ n ] 、真の真空が核 形成すれば、宇宙の力、粒子、構造が我々が知っている形では存在しなくなり、別のものに置き換わることを意味することになる。[ 55 ] [ o ]また、ヒッグスの自己結合λとそのβλ関数がプランクスケールでゼロに非常に近くなる可能性を示唆しており、重力理論やヒッグスに基づくインフレーション理論など、「興味深い」意味合いを持つ。[ 43 ] : 218 [ 57 ] [ 58 ]将来の電子陽電子衝突型加速器は、そのような計算に必要なトップクォークの正確な測定を可能にするだろう。[ 43 ]

真空エネルギーと宇宙定数

より推測的に言えば、ヒッグス場は真空のエネルギーであるとも提唱されている。ビッグバン初期の極限エネルギーにおいて、ヒッグス場は宇宙を一種の特徴のない対称性を持つ、未分化で極めて高いエネルギー状態へと導いた。この種の推測では、大統一理論の単一の統一場はヒッグス場と同一視され（あるいはヒッグス場をモデルとし）、相転移におけるヒッグス場、あるいは類似の場の連続的な対称性の破れを通して、現在知られている宇宙の力と場が生じる。[ 59 ]

ヒッグス場と観測された宇宙の真空エネルギー密度との関係（もし存在するならば）も科学的に研究されてきました。観測されているように、真空エネルギー密度はゼロに極めて近いですが、ヒッグス場、超対称性、その他の理論から予測されるエネルギー密度は、通常、桁違いに大きくなります。これらをどのように調和させるべきかは不明です。この宇宙定数の問題は、物理学における 未解決の大きな問題として残っています。

歴史

理論化

  

1964年のPRL論文の著者6名。彼らはその研究により2010年のJJサクライ賞を受賞しました。左から右へ：キブル、グラルニク、ハーゲン、エングラート、ブラウト。右の画像：ヒッグス。

素粒子物理学者は、力の運搬者 として働く交換粒子（ゲージボソン）によって相互作用する基本粒子から構成される物質を研究する。1960年代初頭には、これらの粒子が数多く発見または提唱され、それらがどのように互いに関連しているかを示す理論も提唱されていたが、そのいくつかは既に、研究対象が粒子や力ではなく量子場とその対称性である場の理論として再定式化されていた。[ 60 ]：150 しかし、4つの既知の基本的な力のうちの2つ（電磁力と弱い核力）の量子場モデルを作成し、これらの相互作用を統一する試みは、依然として成功していなかった。

既知の問題の一つは、統一理論に大きな期待が寄せられていたヤン＝ミルズ理論（1954年）のような非アーベルモデルを含むゲージ不変アプローチが、既知の質量を持つ粒子を質量ゼロと予測する可能性があるということであった。 [ 23 ]一部の理論における連続対称性に関するゴールドストーンの定理もまた、多くの明白な解決策を排除するように見える。[ 61 ]ゴールドストーンボソンとして知られる質量ゼロの粒子も、単に「見えない」だけの存在を示唆しているように見えるためである。[ 62 ]グラルニクによれば、物理学者たちはこれらの問題をどのように克服できるかを「全く理解していなかった」。[ 62 ]

ノーベル賞受賞者ピーター・ヒッグス氏、2013年12月ストックホルムにて

素粒子物理学者で数学者のピーター・ウォイトは、当時の研究の状況を次のように要約している。

ヤンとミルズの非可換ゲージ理論に関する研究には、一つの大きな問題がありました。摂動論では、我々が目にするどの粒子とも対応しない質量のない粒子が存在するのです。この問題を解消する方法の一つは、現在ではかなりよく理解されています。それは、QCDで実現されている閉じ込め現象です。この閉じ込め現象では、強い相互作用によって遠距離にある質量のない「グルーオン」状態が除去されます。1960年代初頭には、質量のない粒子のもう一つの発生源、すなわち連続対称性の自発的破れが理解され始めていました。フィリップ・アンダーソンが1962年の夏に発見し、解明したのは、ゲージ対称性と自発的破れの両方が存在する場合、質量のない南部-ゴールドストーンモード（ゴールドストーンボソンを生じる）が質量のないゲージ場モード（質量のないゲージボソンを生じる）と結合して、物理的な質量を持つベクトル場（質量を持つゲージボソン）を生成できるというものでした。これは超伝導で起こることであり、アンダーソンはこの分野の第一人者の一人であった（そして今もなおそうである）。[ 23 ] [本文要約]

ヒッグス機構は、ベクトル粒子がゲージ不変性を明示的に破ることなく、対称性の自発的破れの副産物として静止質量 を獲得できるプロセスです。[ 63 ] [ 64 ]当初、対称性の自発的破れの背後にある数学的理論は、 1960年に南部陽一郎によって素粒子物理学の範囲内で考案され発表されました[ 65 ]（そして1938年にエルンスト・シュテッケルベルクによってある程度予測されていました[ 66 ]）、このようなメカニズムが「質量問題」の可能な解決策を提供できるという概念は、以前に対称性の破れと超伝導におけるその結果についての論文を書いていたフィリップ・アンダーソンによって1962年に最初に提案されました。[ 67 ]アンダーソンは1963年のヤン＝ミルズ理論に関する論文で、「超伝導の類似物を考慮すると...これら2種類のボソンは互いに打ち消し合うことができ、有限質量のボソンが残る」と結論付けた。[ 68 ] [ 25 ]そして1964年3月、アブラハム・クラインとベンジャミン・リーは、少なくともいくつかの非相対論的な場合にはこの方法でゴールドストーンの定理を回避できることを示し、真に相対論的な場合でも可能かもしれないと推測した。[ 24 ]

これらのアプローチは、3つの物理学者のグループによって独立してほぼ同時に完全な相対論的モデルへと急速に発展した。1964年8月にはフランソワ・アングレールとロバート・ブロート、[ 69 ] 1964年10月にはピーター・ヒッグス、[ 70 ] 1964年11月にはジェラルド・グラルニク、カール・ハーゲン、トム・キブル（GHK）によって発展した。 [ 71 ]ヒッグスはまた、1964年9月に出版されたギルバートの反論に対する短いが重要な応答[ 63 ]を書いた。 [ 72 ]その中で、放射ゲージ内で計算する場合にはゴールドストーンの定理とギルバートの反論は適用できなくなることが示された。[ p ]ヒッグスは後に、ギルバートの反論が自身の論文のきっかけになったと述べている。[ 73 ]このモデルの特性は、1965年にグラルニクによって、[ 74 ] 1966年にヒッグスによって、[ 75 ] 1967年にキブルによって、[ 76 ]さらに1967年にGHKによって考察された。 [ 77 ] 1964年のオリジナルの3つの論文は、ゲージ理論が、自発的に対称性を破る追加の荷電スカラー場と組み合わされると、ゲージボソンが一貫して有限の質量を獲得する可能性があることを示した。[ 63 ] [ 64 ] [ 78 ] 1967年、スティーブン・ワインバーグ[ 79 ] とアブドゥス・サラム[ 80 ] はそれぞれ独立に、ヒッグス機構を用いてシェルドン・グラショーの弱い相互作用と電磁相互作用の統一モデル[ 81 ] （シュウィンガー の研究の拡張）の電弱対称性を破ることができることを示しました。これが後に素粒子物理学の標準モデルとなるものです。ワインバーグは、これがフェルミオンの質量項も提供すると初めて指摘しました。[ 82 ] [ q ]

当初、ゲージ対称性の自発的破れに関するこれらの画期的な論文は、ほとんど無視された。なぜなら、問題の（非アーベルゲージ）理論は行き詰まりであり、特にくりこみ不可能であると広く信じられていたからである。 1971年から72年にかけて、マルチヌス・フェルトマンとジェラルド・トホーフトは、質量のない場、そして後に質量のある場を扱う2つの論文で、ヤン＝ミルズ理論のくりこみが可能であることを証明した。[ 82 ]彼らの貢献、そしてくりこみ群に関する他の人々の研究（ロシアの物理学者ルドヴィク・ファデーエフ、アンドレイ・スラヴノフ、エフィム・フラトキン、イゴール・チューチン による「実質的な」理論的研究[ 83 ]を含む）は、 最終的に「非常に深遠で影響力のあるもの」となったが[ 84 ]、最終的な理論の重要な要素がすべて出版されたにもかかわらず、より広い関心はほとんど寄せられなかった。例えば、コールマンは、1971年以前には「基本的に誰も注目していなかった」ことを研究で発見した。 [ 85 ]ワインバーグの論文は 、現在では素粒子物理学で最も引用されている[ 86 ]論文 であり、ポリッツァーによれば、1970年でさえ、グラショーの弱い相互作用の教えには、ワインバーグ、サラム、グラショー自身の研究については一切触れられていなかった。[ 84 ]ポリッツァーは、実際には、ほとんどすべての人が理論を知ったのは、物理学者ベンジャミン・リーがフェルトマンとトホーフトの研究を他の人の洞察と組み合わせ、完成した理論を普及させたためだと述べている。[ 84 ]このようにして、1971年以降、関心と受容が「爆発的に」高まり、[ 84 ]そのアイデアは急速に主流に吸収された。[ 82 ] [ 84 ]

結果として得られた電弱理論と標準模型は、弱い中性カレント、3つのボソン、トップクォークとチャームクォークなどを正確に予測し、これらの一部の質量やその他の特性も非常に高い精度で予測しました。[ g ]関係者の多くは、最終的にノーベル賞などの著名な賞を受賞しました。1974年にReviews of Modern Physicsに掲載された論文と包括的なレビューでは、「これらの議論の[数学的な]正しさを疑う者は誰もいなかったが、自然がそれらを利用するほど悪魔的に賢いとは誰も信じていなかった」と述べられています。[ 87 ]さらに、理論はこれまで実験と一致する正確な答えを生み出してきたものの、理論が根本的に正しいかどうかは不明でした。[ 88 ] 1986年と1990年代には、標準模型のヒッグスセクターを理解し証明することが「今日の素粒子物理学における中心的な課題」であると記されるようになりました。[ 14 ] [ 15 ]

PRL論文の要約と影響

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1964年に書かれた3本の論文は、Physical Review Letters誌の創刊50周年記念式典で、それぞれマイルストーン論文として認められた。[ 78 ] 6人の著者はまた、この研究により2010年のJJ Sakurai理論素粒子物理学賞を受賞した。 [ 89 ]（ノーベル賞の場合は、最大3人の科学者のみが表彰され、6人の論文が功績として認められるため、同年には論争も起こった。[ 90 ]）3本のPRL論文のうち2本（ヒッグスとGHKによる）には、最終的にヒッグス場として知られるようになる仮説上の場とその仮説上の量子であるヒッグス粒子の方程式が含まれていた。[ 70 ] [ 71 ]ヒッグスのその後の1966年の論文は、粒子の崩壊メカニズムを示した。質量のある粒子だけが崩壊することができ、崩壊によってそのメカニズムを証明できる。

ヒッグスの論文では、ボソンは質量を持ち、結論の文でヒッグスは、理論の「本質的な特徴」は「スカラーボソンとベクトルボソンの不完全な多重体の予測である」と書いている。[ 70 ]（フランク・クローズは、1960年代のゲージ理論家は質量のないベクトルボソンの問題に焦点を当てており、質量のあるスカラーボソンの暗黙の存在は重要視されておらず、ヒッグスだけがそれを直接取り上げたとコメントしている。[ 91 ]：154、166、175 ）。GHKの論文では、ボソンは質量がなく、質量を持つ状態から切り離されている。[ 71 ] 2009年と2011年のレビューで、グラルニックは、GHKモデルでは、ボソンは最低次の近似でのみ質量がゼロであるが、いかなる制約も受けず、より高次の近似で質量を獲得すると述べ、GHKの論文は、モデルに質量のないゴールドストーンボソンが存在しないことを示す唯一の論文であり、一般的なヒッグス機構の完全な分析を行ったものであると付け加えている。 [ 62 ] [ 92 ] 3つとも、非常に異なるアプローチにもかかわらず、同様の結論に達しました。ヒッグスの論文は基本的に古典的な手法を使用し、エングラートとブラウトの論文は、対称性が破れた真空状態を想定する摂動論で真空分極を計算し、GHKは演算子形式主義と保存則を使用して、ゴールドストーンの定理を回避する方法を詳細に調査しました。[ 63 ] [ 93 ]理論のいくつかのバージョンでは、複数の種類のヒッグス場と粒子を予測しており、ヒッグス粒子が発見されるまでは、代替の「ヒッグスレス」モデルが検討されていました。

ヒッグス粒子を生成するために、2本の粒子ビームを非常に高いエネルギーまで加速し、粒子検出器内で衝突させます。まれではありますが、衝突の副産物としてヒッグス粒子が瞬間的に生成されることがあります。ヒッグス粒子は非常に速く崩壊するため、粒子検出器では直接検出できません。その代わり、検出器はすべての崩壊生成物（崩壊シグネチャ）を記録し、そのデータから崩壊過程を再構成します。観測された崩壊生成物がヒッグス粒子の可能性のある崩壊過程（崩壊チャネルと呼ばれる）と一致する場合、ヒッグス粒子が生成された可能性があることを示します。実際には、多くの過程で同様の崩壊シグネチャが生成されることがあります。幸い、標準モデルはこれらのそれぞれ、および既知の各過程が発生する可能性を正確に予測します。したがって、ヒッグス粒子が存在しない場合に予想されるよりも多くの、ヒッグス粒子と一貫して一致する崩壊シグネチャを検出器が検出した場合、これはヒッグス粒子が存在することの強力な証拠になります。

粒子衝突におけるヒッグス粒子の生成は非常に稀（LHCでは100億分の1）であるため、[ r ] や他の多くの衝突事象が同様の崩壊特性を示す可能性があるため、ヒッグス粒子の存在について結論を出すには、数百兆回の衝突データを解析し、「同じ像を示す」必要があります。粒子物理学者が新粒子発見と結論付けるには、独立した2つの粒子検出器の統計解析において、観測された崩壊特性が標準模型における単なる背景ランダム事象によるものである確率が100万分の1未満であること、つまり、観測された事象数が、新粒子が存在しなかった場合の予測値と5標準偏差（シグマ）以上異なることが必要です。より多くの衝突データがあれば、観測された新粒子の物理的特性をより正確に確認でき、それが標準模型で記述されるヒッグス粒子なのか、それとも他の仮説上の新粒子なのかを物理学者が判断できるようになります。

ヒッグス粒子を見つけるには、強力な粒子加速器が必要でした。なぜなら、ヒッグス粒子は低エネルギー実験では観測できない可能性があるからです。十分な衝突が観測され結論を導き出すためには、 衝突器は高い輝度を持つ必要がありました。最後に、衝突によって生成される膨大な量のデータ（2012年時点で年間25ペタバイト）を処理するために、高度な計算施設が必要でした。 [ 96 ] 2012年7月4日の発表では、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）として知られる新しい衝突器がCERNに建設され、最終的な衝突エネルギーは14TeV  （ これまでのどの衝突器の7倍以上）で、300兆（3 × 10 14 ） LHC陽子-陽子衝突は、世界最大のコンピューティンググリッド（2012年時点）であるLHCコンピューティンググリッドによって解析されました。このグリッドは、36か国にまたがる世界規模のネットワーク内の170以上のコンピューティング施設で構成されています。[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]

2012年7月4日までの検索

ヒッグス粒子の最初の大規模な探索は、1990年代に欧州原子核研究機構（CERN）の大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）で行われた。2000年に運用が終了した時点で、LEPはヒッグス粒子の決定的な証拠を発見していなかった。 [ s ] これは、もしヒッグス粒子が存在するならば、その質量は114.4 GeV/ c 2 . [ 99 ]

探索はアメリカのフェルミ国立加速器研究所で続けられ、そこでは1995年にトップクォークを 発見した衝突型加速器テバトロンがこの目的のために改良されていた。テバトロンがヒッグス粒子を発見できるという保証はなかったが、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）がまだ建設中で、計画されていた超伝導超大型衝突型加速器は1993年に中止され、未完成のままだったため、テバトロンは稼働していた唯一の超大型衝突型加速器だった。テバトロンはヒッグス粒子の質量の範囲をさらに除外することしかできず、LHCの計画に追いつくことができなくなったため、2011年9月30日に停止された。データの最終分析により、質量が147 GeV/ c 2と180 GeV/ c 2。さらに、ヒッグス粒子の質量が180 GeV/c 2 の間であることを示唆する、わずかな（しかし有意ではない）過剰事象があった。115 GeV/ c 2と140 GeV/ c 2 . [ 100 ]

スイスの欧州原子核研究機構（CERN）にある大型ハドロン衝突型加速器（ LHC ）は、ヒッグス粒子の存在を検証あるいは否定することを目的として特別に設計されました。ジュネーブ近郊の地下27kmのトンネル内に建設され、当初はLEPが設置されていました。この装置は、2本の陽子ビームを衝突させるように設計され、当初はエネルギーがビームあたり3.5 TeV（合計7 TeV）で、これはテバトロンの約3.6倍に相当し、将来的には2×7 TeV（合計14 TeV）までアップグレード可能です。理論的には、ヒッグス粒子が存在する場合、このエネルギーレベルでの衝突によってそれを発見できるはずです。史上最も複雑な科学機器の一つであるこの装置は、初回試験から9日後に電気接続の不具合により50個以上の超伝導磁石が損傷し、真空システムが汚染されたため、運用開始が14ヶ月遅れました。[ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]

LHCでのデータ収集は2010年3月にようやく開始された。[ 104 ] 2011年12月までに、LHCの2つの主要な粒子検出器であるATLASとCMSは、ヒッグス粒子が存在できる質量範囲を約116–130 GeV/ c 2 (ATLAS)および115–127 GeV/ c 2（CMS）。[ 105 ] [ 106 ]すでに有望なイベント超過がいくつか発生していたが、「蒸発」し、単なるランダムな変動であることが証明された。しかし、2011年5月頃から[ 107 ] 、両方の実験で、ガンマ線と4レプトン崩壊の兆候と他のいくつかの粒子崩壊の小さいながらも一貫した超過がゆっくりと現れ、すべてが質量約115–127 GeV/c 2の新しい粒子の存在を示唆していた。125 GeV/ c 2。[ 107 ] 2011年11月頃までに、125 GeV/ c 2は「無視できないほど大きく」なりつつあり（まだ決定的とは言えないが）、ATLASとCMSの両チームリーダーはそれぞれ、ヒッグス粒子を発見したのではないかと個人的に疑っていた。[ 107 ] 2011年11月28日、両チームリーダーとCERNの所長による内部会議で、最新の分析結果が初めてチーム外で議論され、ATLASとCMSの両チームが、ある共通の結論に収束しつつある可能性が示唆された。125 GeV/ c 2のヒッグス粒子が発見された場合に備えて、初期準備が開始された。[ 107 ]この情報は当時公表されていなかったが、ヒッグス粒子の可能性のある範囲が約125 GeV/c 2 に狭まることは、115～130 GeV/2のエネルギーと、ATLASとCMSの両方で複数のチャンネルにわたって小さいながらも一貫したイベント超過を繰り返し観測した。124～126 GeV/ c 2領域（約2～3シグマの「魅力的なヒント」と表現されている）は「大きな関心」を呼ぶ公開情報であった。[ 108 ]そのため、2011年末頃には、LHCが2012年末までにヒッグス粒子の発見を否定または確認するのに十分なデータを提供するだろうと広く予想されていた。その時点では、2012年の衝突データ（衝突エネルギーはわずかに高い8 TeV）が検証されていた。[ 108 ] [ 109 ]

CERNで候補ボソンを発見

  
低質量（〜125 GeV/ c 2 ） LHCのATLASとCMSによって観測されたヒッグス粒子候補。この質量における主要な生成メカニズムは、各陽子から2つのグルーオンがトップクォークループに融合し、これがヒッグス場と強く結合してヒッグス粒子を生成するというものである。
  • 左:二光子チャネル: ボソンはその後、 W ボソンループまたはトップ クォークループとの仮想相互作用によって 2 つのガンマ線光子に崩壊します。
  • 右: 4 つのレプトンの「ゴールデン チャネル」: ボソンは 2 つのZ ボソンを放出し、それぞれが 2 つのレプトン(電子、ミューオン) に崩壊します。
これらのチャネルの実験的分析では、両方の実験において5標準偏差（シグマ）以上の有意差が認められた。 [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ]

2012年6月22日、CERNは2012年の暫定的な研究結果を発表するセミナーの開催を発表した。[ 113 ] [ 114 ]そしてその後すぐに（ソーシャルメディアで広がる噂の分析によると2012年7月1日頃から[ 115 ]）、このセミナーには大きな発表があるだろうという噂がメディアで広まり始めたが、これがより強いシグナルとなるのか、正式な発見となるのかは不明であった。[ 116 ] [ 117 ]粒子を提唱したピーター・ヒッグスがセミナーに出席するという報道が浮上し、 [ 118 ] [ 119 ]「5人の著名な物理学者」が招待されたという報道が浮上すると、憶測は「熱狂的」な盛り上がりを見せた。ヒッグス、エングラー、グラルニク、ハーゲンの4人が出席し、キブルが招待を認めた（ブラウトは2011年に死去）。[ 120 ]

2012年7月4日、CERNの実験は両方とも独立して同じ発見をしたと発表した。[ 121 ]質量を持つこれまで知られていなかったボソンのCMS125.3 ± 0.6 GeV/ c 2 [ 122 ] [ 123 ]および質量を持つボソンのATLAS126.0 ± 0.6 GeV/ c 2。[ 124 ] [ 125 ] 2種類の相互作用（「チャネル」と呼ばれる）を組み合わせた解析により、両方の実験は独立して5シグマの局所的有意性に達した。これは、偶然だけで少なくとも同じくらい強い結果が得られる確率が300万分の1未満であることを意味する。追加のチャネルを考慮すると、CMSの有意性は4.9シグマに減少した。[ 123 ]

2つのチームは2011年末から2012年初頭にかけて互いに「盲検化」された状態で作業を行っていた[ 107 ]。つまり、互いに結果について話し合わなかったため、共通の発見が粒子の真の検証であるという確信がさらに高まった。[ 96 ] 2つの別々のチームと実験によって独立して確認されたこのレベルの証拠は、確認された発見を発表するために必要な正式な証明レベルを満たしている。

2012年7月31日、ATLAS共同研究チームは「新粒子の観測」に関する追加データ分析を発表しました。これには第3のチャネルからのデータが含まれており、有意性は5.9シグマ（ランダム背景効果だけで少なくとも同じくらい強力な証拠を得る確率は5億8800万分の1）に向上し、質量は126.0 ± 0.4（統計的）± 0.4（システム）GeV/ c 2となりました。[ 125 ]また、CMSは有意性を5シグマに向上し、質量は125.3 ± 0.4（統計的）± 0.5（システム）GeV/ c 2となりました。[ 122 ]

ヒッグス粒子の可能性があるとされる新粒子が検査される

2012年の発見後も、125 GeV/ c 2粒子はヒッグス粒子であった。一方で、観測結果は観測粒子が標準モデルのヒッグス粒子であることと一致しており、粒子は少なくともいくつかの予測されたチャネルに崩壊した。さらに、観測されたチャネルの生成率と分岐比は、実験的不確かさの範囲内で標準モデルの予測と概ね一致した。しかし、実験的不確かさは依然として別の説明の余地を残しており、ヒッグス粒子の発見を発表するのは時期尚早であったことを意味していた。[ 126 ]データ収集の機会を増やすため、LHCの2012年の停止と2013～2014年のアップグレードは7週間延期され、2013年に至った。 [ 127 ]

2012年11月、京都で行われた会議で研究者らは、7月以降に集められた証拠は他の選択肢よりも基本的な標準モデルと一致するようになってきており、いくつかの相互作用に関するさまざまな結果が標準モデルによる予測と一致していると述べた。[ 128 ]物理学者マット・ストラスラーは、新粒子が擬スカラー負パリティ粒子ではないという「かなりの」証拠（ヒッグス粒子に必要なこの発見と一致）、「蒸発」または非標準モデルの発見に関する以前のヒントの重要性の増加がないこと、WボソンとZボソンとの標準モデルの相互作用が予想されること、超対称性についてまたはそれに反する「重要な新しい意味合い」がないこと、そして一般に、標準モデルのヒッグス粒子について予想される結果から今のところ大きな逸脱がないことを強調した。[ t ]しかし、標準モデルのいくつかの種類の拡張でも非常によく似た結果が示されるだろう。[ 130 ]そのため解説者たちは、発見されてからまだ長い時間が経っている他の粒子に基づいて、確信を得るには何年もかかり、発見された粒子を完全に理解するには数十年かかるかもしれないと指摘した。[ 128 ] [ t ]

これらの発見は、2013年1月の時点で、科学者たちが質量の未知の粒子を発見したと確信していたことを意味していた。 125 GeV/ c 2であり、実験誤差や偶然の結果によって誤った方向に導かれたわけではなかった。彼らはまた、初期の観測から、この新粒子が何らかのボソンであることも確信していた。2012年7月以降に調べた限りでは、この粒子の挙動と特性は、ヒッグス粒子に予想される挙動にかなり近いように見えた。しかし、将来の実験でヒッグス粒子と一致しない挙動が示される可能性があるため、ヒッグス粒子や他の未知のボソンである可能性もあった。そのため、2012年12月時点でCERNは新粒子がヒッグス粒子と「一致する」とのみ述べており、[ 29 ] [ 31 ]、科学者たちはまだそれがヒッグス粒子であると断言していなかった。[ 131 ]それにもかかわらず、2012年後半には、その年中にヒッグス粒子が確認されたという（誤った）広範なメディア報道が行われた。[ 137 ]

2013年1月、欧州原子核研究機構（CERN）のロルフ＝ディーター・ホイヤー所長は、これまでのデータ分析に基づき、2013年半ば頃には答えが出る可能性があると述べ、[ 138 ]、ブルックヘブン国立研究所の物理学副委員長は2013年2月に、「決定的な」答えは2015年の衝突型加速器の運転再開から「さらに数年」かかるかもしれないと述べた。[ 139 ] 2013年3月初旬、CERNの研究ディレクターであるセルジオ・ベルトルッチは、スピン0を確認することが、この粒子が少なくとも何らかのヒッグス粒子であるかどうかを判断するための主要な残された要件であると述べた。[ 140 ]

存在と状態の確認

2013年3月14日、CERNは次のことを確認しました。

CMSとATLASは、この粒子のスピン・パリティについていくつかの選択肢を比較しましたが、いずれもスピンがゼロでパリティが偶数であることを示しました（これらは標準模型と整合するヒッグス粒子の2つの基本的な基準です）。このことと、この新粒子と他の粒子との測定された相互作用を合わせると、この粒子がヒッグス粒子であることが強く示唆されます。[ 7 ]

これにより、この粒子は自然界で発見された最初の基本スカラー粒子となります。 [ 32 ]

以下は、発見された粒子がヒッグス粒子であることを確認するために使用されたテストの例である：[ t ] [ 13 ]

要件 テスト方法 / 説明 状況（2017年7月現在）
ゼロスピン​崩壊パターンの調査。スピン1は、最初の発見時に観測された2つの光子（γγ）への崩壊によって除外され、残りの候補としてスピン0とスピン2が残されました。 スピン0が確認された。[ 8 ] [ 7 ] [ 141 ] [ 142 ]スピン2仮説は99.9%を超える信頼度で除外された。[ 142 ]
偶数（正）パリティ崩壊生成物が飛び散る角度を研究する。スピン0が確認された場合、負のパリティも不利となる。[ 143 ]偶パリティが暫定的に確認された。[ 7 ] [ 141 ] [ 142 ]スピン0負パリティ仮説は99.9%を超える信頼度で排除された。[ 141 ] [ 8 ]
崩壊経路（粒子の崩壊の結果）は予測どおりである 標準モデルは、125 GeV/ c 2ヒッグス粒子。これらはすべて観測されているのでしょうか？しかも、適切な割合で？

特に重要なのは、可能性のある結果として、光子 対(γ γ)、W ボソンと Z ボソン(W − W +と Z Z)、ボトムクォーク(b b )、およびタウレプトン(τ − τ + ) への崩壊が観測されるはずであることです。

b b、γ γ、τ − τ +、W − W +、Z Z が観測された。観測されたすべての信号強度は標準モデルの予測と一致している。[ 144 ] [ 34 ]
質量に比例する（つまり、標準モデルの粒子との相互作用の強さは質量に比例する） 素粒子物理学者のアダム・ファルコウスキーは、ヒッグス粒子の本質的な性質は、スピン0（スカラー）粒子でありながら質量（W粒子とZ粒子）と結合していることであり、スピン0であることを証明するだけでは不十分であると述べています。[ 13 ]質量との結合は強く証明されている（「95％の信頼度でcVは標準モデル値cV = 1の15％以内である」）。[ 13 ]
高エネルギーの結果は一貫している LHCが2015年に13TeVというより高いエネルギーで再始動した後も、複数のヒッグス粒子（一部の理論で予測されている）の探索と、他のバージョンの素粒子理論を対象とした検証が続けられました。これらの高エネルギー実験の結果は、ヒッグス理論と整合する結果をもたらし続けるはずです。 2017年7月までの衝突の解析では標準モデルからの逸脱は見られず、実験精度は低エネルギーでの結果よりも優れている。[ 34 ]

2013年以降の調査結果

（上）ヒッグス粒子との結合強度、および断面積と分岐比データから導出された標準模型予測との比（下）。κ枠組み[145]では、結合 はそれぞれベクトル粒子V （=Z,W）に対してはと、フェルミ粒子F（= t , b , τ （μは2022年と確認されていないが証拠はある））に対してはであり、ここで質量と真空期待値（絶対結合強度）である。[ 146 ]κVメートルV/vev（＝κVグラムV/2vev）{\displaystyle {\sqrt {{\kappa }_{V}}}{m}_{V}/{\rm {vev}}\quad (={\sqrt {{\kappa }_{V}{g}_{V}/2{\rm {vev}}})}κFメートルV/vev{\displaystyle {\kappa }_{F}{m}_{V}/{\rm {vev}}}メートルV/F{\displaystyle {m}_{V/F}}vev{\displaystyle vev}グラムV{\displaystyle {g}_{V}}

2017年7月、CERNはすべての測定値が依然として標準モデルの予測と一致していることを確認し、発見された粒子を単に「ヒッグス粒子」と名付けました。[ 34 ] 2019年現在、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、ヒッグス場と粒子に関する2013年の理解を裏付ける発見を生み出し続けています。[ 147 ] [ 148 ]

2015年の再開以来、LHCの実験作業には、ヒッグス場とヒッグス粒子をより詳細に探査し、あまり一般的ではない予測が正しいかどうかを確認することが含まれていました。特に、2015年以降の探査では、ボトムクォーク対（3.6  σ ）などのフェルミオンへの直接崩壊の予測の強力な証拠が得られました。これは、その短い寿命やその他の稀な崩壊を理解する上で「重要なマイルストーン」と評されています。また、タウレプトン対（5.9  σ）への崩壊も確認されました。CERNはこれを「ヒッグス粒子とレプトンの結合を確立する上で極めて重要であり、自然界での役割が深い謎に包まれている、電子とクォークの非常に重いコピーである第三世代フェルミオンとの結合を測定するための重要な一歩となる」と評しました。[ 34 ] 2018年3月19日現在、ATLASとCMSの13TeVでのヒッグス粒子質量の測定結果が発表されている。124.98 ± 0.28 GeV/ c 2およびそれぞれ125.26 ± 0.21 GeV/ c 2であった。

2018年7月、ATLAS実験とCMS実験は、ヒッグス粒子がボトムクォークのペアに崩壊するのを観測したと報告しました。これは、ヒッグス粒子の全崩壊の約60％を占めています。[ 149 ] [ 150 ] [ 151 ]

理論的な問題

ヒッグスの理論的必要性

「対称性の破れの図解」：高エネルギーレベル（左）ではボールは中心に落ち着き、結果として対称形になります。低エネルギーレベル（右）では、全体的な「ルール」は対称のままですが、「ソンブレロポテンシャル」が作用します。つまり、ボールは最終的にランダムに転がるため、 「局所的」な対称性は必然的に破れます。

ゲージ不変性は標準モデルなどの現代の粒子理論の重要な特性であり、これは電磁気学や強い相互作用(量子色力学)など基礎物理学の他の分野での成功に一部起因しています。しかし、シェルドン・グラショーが1961 年に電弱統一モデルを拡張するまでは、弱い核力や可能な統一電弱相互作用のゲージ理論を開発することは非常に困難でした。質量項を持つフェルミオンはゲージ対称性に違反するため、ゲージ不変ではあり得ません。(これはフェルミオンのディラック ラグランジアンについて左手および右手成分で調べるとわかります。スピン半粒子のいずれも質量に必要なヘリシティを反転できないため、質量がゼロでなければなりません。 [ u ] ) W ボソンと Z ボソンには質量があることが観測されていますが、ボソンの質量項にはゲージの選択に明らかに依存する項が含まれるため、これらの質量もゲージ不変ではあり得ません。したがって、標準模型のフェルミオンやボソンは、ゲージ不変性を放棄しない限り、質量を内在する性質として「始まる」ことはできないように思われる。もしゲージ不変性が維持されるとすれば、これらの粒子は何らかの別のメカニズムや相互作用によって質量を獲得している必要がある。

さらに、自発的対称性の破れに基づく解決策は、ゴールドストーンの定理の必然的な結果であるかのように、失敗したように思われた。自発的対称性の破れの原因となる複素平面の「円形の谷」を移動する際に潜在的なエネルギーコストがかからないため、結果として生じる量子励起は純粋な運動エネルギー、つまり質量のないボソン（「ゴールドストーンボソン」）であり、これは新たな長距離力を意味する。しかし、新たな長距離力や質量のない粒子も検出されなかった。したがって、これらの粒子に質量を与えているものは、それがうまく機能する理論の他の部分の基礎としてゲージ不変性を「破る」ことなく、自然界には実際には存在しないと思われる予期せぬ質量のない粒子や長距離力を必要とせず、予測もしないものでなければならなかった。

これらすべての重なり合う問題に対する解決策は、ゴールドストーンの定理[ p ]の数学の中に隠された、これまで注目されていなかった境界線上のケースの発見から生まれました。 それは、ある条件下では、ゲージ不変性を破ることなく、新たな質量のない粒子や力も生じさせることなく、対称性を破ることが理論的に可能であり、数学的に「理にかなった」（繰り込み可能な）結果をもたらす可能性があるというものでした。これはヒッグス機構として知られるようになりました。

標準モデルによって記述される特定の粒子間の相互作用の要約

標準モデルでは、この効果の原因となるヒッグス場（記号： ）と呼ばれる場が仮定されています。この場は、基底状態において振幅がゼロではないという特異な特性、すなわち真空期待値がゼロではないという特異な特性を持っています。ヒッグス場がこの効果を持つのは、その「ソンブレロ」型ポテンシャルの最低「点」が「中心」ではないためです。簡単に言えば、他の既知の場とは異なり、ヒッグス場はゼロ値よりもゼロ値を持つために必要なエネルギーが少ないため、あらゆる場所でゼロ値ではないという特異な特性を持つことになります。ある極めて高いエネルギー準位以下では、この非ゼロ真空期待値の存在によって電弱ゲージ対称性が自発的に破れ、それがヒッグス機構を生じさせ、場と相互作用する粒子による質量獲得を引き起こします。この効果は、ヒッグス場のスカラー場成分が質量を持つボソンに自由度として「吸収」され、湯川結合を介してフェルミオンと結合することで、期待される質量項を生成するために発生します。これらの条件下で対称性が破れると、発生したゴールドストーンボソンは、質量のない新しい粒子になるのではなく、ヒッグス場（およびヒッグス場と相互作用する他の粒子）と相互作用します。両方の基礎理論の解決困難な問題は互いに「中和」され、結果として、素粒子はヒッグス場との相互作用の強さに基づいて一貫した質量を獲得します。これは、ゲージ理論と整合性を保ちながらゲージボソンに質量を与えることができる、最も単純な既知のプロセスです。[ 152 ]その量子はスカラーボソン、つまりヒッグス粒子です。 [ 153 ]ϕ{\displaystyle \phi }

超伝導の起源から理論を分かりやすく説明する

ヒッグス機構は、超伝導現象を説明するために提案された理論の結果として提唱されました。超伝導体は外部磁場の侵入を許しません（マイスナー効果）。この奇妙な観察は、この現象の間、何らかの理由で電磁場が短距離化することを示唆しています。1950年代には、これを説明する成功した理論が提唱され、最初はフェルミオン（ギンツブルグ＝ランダウ理論、1950年）、次にボソン（BCS理論、1957年）が提唱されました。

これらの理論では、超伝導は荷電された凝縮場から生じると解釈される。最初は、凝縮値には優先方向がなく、スカラーであることを意味するが、ゲージベースの場の理論では、その位相によってゲージを定義できる。そのためには、場が荷電されていなければならない。荷電されたスカラー場は複素数でもある（言い換えれば、少なくとも 2 つの成分と、それぞれを他の成分に回転させることができる対称性を含む）。ナイーブなゲージ理論では、凝縮体のゲージ変換によって位相が回転するのが普通である。しかし、これらの状況では、代わりに好ましい位相の選択が固定される。ただし、凝縮体がどこでも同じ位相を持つようにゲージの選択を固定すると、電磁場に余分な項が追加されることが判明している。この余分な項によって、電磁場は短距離になる。

素粒子物理学においてこの理論が注目されるようになると、その類似点は明らかになった。ゲージ不変理論において、通常は長距離の電磁場を短距離の電磁場へと変化させることは、まさに弱い力のボソンに求められる効果であった（長距離の力は質量のないゲージボソンを持ち、短距離の力は質量のあるゲージボソンを意味するため、この相互作用の結果として、場のゲージボソンが質量を獲得する、あるいは類似の同等の効果を持つことを示唆している）。これを実現するために必要な場の特性もまた、非常に明確に定義されていた。それは少なくとも2つの成分を持つ荷電スカラー場でなければならず、かつ、これらを互いに回転させることができる対称性を支えるために複素数でなければならない。[ v ]

代替モデル

上述の極小標準模型は、ヒッグス場が1つだけであるヒッグス機構の最も単純な既知の模型である。しかし、ヒッグス粒子の二重項や三重項を追加した拡張ヒッグスセクターも可能であり、標準模型の多くの拡張がこの特徴を備えている。理論で支持されている非極小ヒッグスセクターは、2ヒッグス二重項模型（2HDM）であり、これは5つのスカラー粒子、すなわち2つのCP偶中性ヒッグス粒子h 0とH 0、1つのCP奇中性ヒッグス粒子A 0、そして2つの荷電ヒッグス粒子H ± の存在を予言する。超対称性（SUSY）もまた、ヒッグス粒子の質量とゲージ粒子の質量の関係を予言しており、125 GeV/ c 2中性ヒッグス粒子。

これらの異なるモデルを区別する鍵となる方法は、粒子の相互作用（「結合」）と正確な崩壊過程（「分岐比」）の研究です。これらは粒子衝突において実験的に測定・検証可能です。タイプIの2HDMモデルでは、一方のヒッグス二重項はアップクォークとダウンクォークに結合しますが、もう一方の二重項はクォークとは結合しません。このモデルには2つの興味深い限界があり、最も軽いヒッグスはフェルミオンのみ（「ゲージフォビック」）またはゲージボソンのみ（「フェルミオフォビック」）と結合しますが、両方とは結合しません。タイプIIの2HDMモデルでは、一方のヒッグス二重項はアップタ​​イプクォークのみと結合し、もう一方のヒッグス二重項はダウンタイプクォークのみと結合します。[ 154 ]精力的に研究されている極小超対称標準モデル（MSSM）にはタイプIIの2HDMヒッグスセクターが含まれているため、タイプIの2HDMヒッグスの証拠によって反証される可能性があります。

他のモデルでは、ヒッグスカラーは複合粒子です。例えば、テクニカラーでは、ヒッグス場の役割はテクニクォークと呼ばれる強く結合したフェルミオン対によって担われます。他のモデルでは、トップクォーク対が用いられます（トップクォーク凝縮を参照）。さらに他のモデルでは、ヒッグス場は全く存在せず、余剰次元によって電弱対称性が破れます。[ 155 ] [ 156 ]

さらなる理論的問題と階層問題

ヒッグス質量に対する一次補正の1ループ・ファインマン図。標準模型では、これらの補正の影響は潜在的に非常に大きく、いわゆる階層問題を引き起こす。

標準模型では、ヒッグス粒子の質量は計算値ではなく測定パラメータとして扱われる。これは理論的に不十分とみなされており、特に量子補正（仮想粒子との相互作用に関連）によりヒッグス粒子の質量は観測値よりもはるかに高くなるはずであるにもかかわらず、標準模型ではヒッグス粒子の質量が約100万倍必要となるためである。100～1000 GeV/ c 2 の質量でユニタリー性を保証する（この場合、縦ベクトルボソン散乱をユニタリー化する）。[ 157 ]これらの点を調和させるには、ほぼ完全な打ち消しによって可視質量が約100～1000 GeV/c 2になる理由を説明する必要があるようだ。 125 GeV/ c 2であり、これをどのように行うかは明らかではありません。弱い力は重力の約 10 32倍強く、（これに関連して）ヒッグス粒子の質量はプランク質量や大統一エネルギーよりもはるかに小さいため、これらの観測には標準モデルでは説明できない未知の根本的な関係や理由があるか、説明できない非常に正確なパラメータの微調整があると思われますが、現時点ではどちらの説明も証明されていません。これは階層問題として知られています。[ 158 ]より広く言えば、階層問題とは、将来の基本粒子と相互作用の理論では過度の微調整や過度に繊細なキャンセルがあってはならず、ヒッグス粒子などの粒子の質量を計算できるようにすべきだという懸念に相当します。この問題は、ある意味ではスピン0粒子（ヒッグス粒子など）に特有のものであり、スピンを持つ粒子には影響を与えない量子補正に関連した問題を引き起こす可能性がある。[ 157 ]超対称性、共形解、ブレーンワールドモデルなどの余剰次元を介した解など、多くの解決策が提案されている。

量子自明性の問題もあり、これは素粒子スカラーを含む一貫した量子場理論を構築することが不可能である可能性を示唆している。これはまた、漸近的安全性シナリオにおいてヒッグス粒子の質量が予測可能であることにつながる可能性がある。[ 159 ]

プロパティ

ヒッグス場の性質

標準モデルでは、ヒッグス場はスカラータキオン場である。スカラーとはローレンツ変換で変換されないことを意味し、タキオンとは場（粒子ではない）が虚質量を持ち、特定の構成では対称性が破れることを意味する。ヒッグス場は4つの要素で構成される。2つの中性場と2つの荷電成分場である。2つの荷電成分と中性場の1つはゴールドストーン粒子であり、質量を持つW +、W −、Z粒子の縦方向の第3分極成分として機能する。残りの中性成分の量子は質量を持つヒッグス粒子に対応し、理論的には質量を持つヒッグス粒子として実現されている。[ 160 ]この成分は湯川結合を介してフェルミ粒子と相互作用し、それらにも質量を与えることができる。

数学的には、ヒッグス場は虚質量を持ち、したがってタキオン場である。[ w ]タキオン（光より速く移動する粒子）は完全に仮説的な概念であるが、虚質量を持つ場は現代物理学で重要な役割を果たすようになった。[ 162 ] [ 163 ]そのような理論では、いかなる状況でも励起が光より速く伝播することはない。タキオン質量の有無は信号の最大速度にまったく影響しない（因果律に違反しない）。[ 164 ]光より速い粒子の代わりに、虚質量は不安定性を生み出す。1つ以上の場の励起がタキオンである構成は自発的に崩壊する必要があり、結果として生じる構成には物理的なタキオンが含まれない。このプロセスはタキオン凝縮として知られており、ヒッグス機構自体が自然界でどのように発生するかを説明するものであり、したがって電弱対称性の破れの理由であると現在では考えられています。

虚質量という概念は厄介に思えるかもしれないが、量子化されるのは場だけであり、質量そのものではない。したがって、空間的に離れた点における場の演算子は依然として交換（または反交換）し、情報と粒子は依然として光速を超えて伝播しない。[ 165 ]タキオン凝縮は、局所的極限に達し、単純に物理的なタキオンを生成すると予想される物理系を、物理的なタキオンが存在しない別の安定状態へと導く。ヒッグス場のようなタキオン場がポテンシャルの最小値に達すると、その量子はもはやタキオンではなく、ヒッグス粒子のような通常の粒子となる。[ 166 ]

ヒッグス粒子の性質

ヒッグス場はスカラーであるため、ヒッグス粒子はスピンを持たない。ヒッグス粒子はそれ自身の反粒子でもあり、CP偶数であり、電荷と色荷はゼロである。[ 167 ]

標準モデルはヒッグス粒子の質量を予測していない。[ 168 ]もしその質量が115および180 GeV/ c 2（経験的観測と一致する）125 GeV/ c 2）の場合、標準モデルはプランクスケール（10 19  GeV/ c 2）。[ 169 ]標準模型において、高エネルギーでも質量を持つ唯一の粒子であるはずである。多くの理論家は、標準模型の不十分な性質に基づき、TeVスケールで標準模型を超える新しい物理が出現することを期待している。 [ 170 ]ヒッグス粒子（あるいは他の電弱対称性の破れのメカニズム）に許容される最大質量スケールは1.4 TeVである。この点を超えると、特定の散乱過程においてユニタリー性が破れる ため、そのようなメカニズムがなければ標準模型は矛盾する。 [ 171 ]

実験的には困難ではあるものの、ヒッグス粒子の質量を間接的に推定することも可能です。標準模型では、ヒッグス粒子はいくつかの間接的な効果を持ちます。最も顕著なのは、ヒッグスループがW粒子とZ粒子の質量にわずかな補正をもたらすことです。フェルミ定数やW粒子とZ粒子の質量といった電弱パラメータの精密測定は、ヒッグス粒子の質量に対する制限値を計算するのに用いることができます。2011年7月現在、精密電弱測定から、ヒッグス粒子の質量は約1000万分の1未満である可能性が高いことが分かっています。95%信頼度で161 GeV/ c 2。[ x ]これらの間接的な制約は、標準模型が正しいという仮定に基づいています。標準模型で許容される以上の粒子を伴う場合、これらの質量を超えるヒッグス粒子を発見できる可能性があります。[ 173 ]

LHCはヒッグス粒子の寿命が極めて短いため、直接測定することはできない。ヒッグス粒子の寿命は次のように予測されている。1.56 × 10 −22 秒と予測される崩壊幅に基づくと、4.07 × 10 −3  GeV。[ 2 ]しかし、オンシェル生成経路と、はるかに稀なオフシェル生成経路で発生する量子現象から測定された質量を比較することで間接的に測定することができます。これは、仮想光子を介したダリッツ崩壊（H → γ*γ → ℓℓγ）から得られます。この技術を用いて、ヒッグス粒子の寿命は2021年に暫定的に1.2 –4.6 × 10 −22  s、シグマ3.2（1000分の1）の有意性。 [ 3 ] [ 4 ]

生産

ヒッグス粒子生成の ファインマン図
グルーオン融合グルーオン融合ヒッグス・シュトラールングヒッグス・シュトラールング
ベクトルボソン核融合ベクトルボソン核融合トップフュージョントップフュージョン

ヒッグス粒子理論が有効であれば、ヒッグス粒子は、研究されている他の粒子とほぼ同様に、粒子加速器で生成できる。これは、多数の粒子を極めて高いエネルギー、光速に極めて近い速度まで加速し、それらを衝突させるというものである。LHCでは陽子と鉛イオン（鉛原子のむき出しの原子核）が使用される。これらの衝突の極めて高いエネルギーでは、目的の難解な粒子が時折生成され、これを検出して研究することができる。また、理論上の予測との差や欠落があれば、理論の改良に利用できる。関連する粒子理論（この場合は標準モデル）によって、必要な衝突の種類や検出器が決定される。標準モデルでは、ヒッグス粒子は様々な方法で形成されると予測されているが、[ 94 ] [ 174 ] [ 175 ]、衝突でヒッグス粒子が生成される確率は常に非常に小さいと予想されている。例えば、大型ハドロン衝突型加速器では、100億回の衝突につきヒッグス粒子は1個しか生成されない。[ r ]ヒッグス粒子生成の最も一般的な予想されるプロセスは以下のとおりである。

グルーオン融合
衝突する粒子が陽子や反陽子などのハドロンである場合 （LHCやテバトロンの場合）、ハドロンを結合しているグルーオンのうち2つが衝突する可能性が最も高い。ヒッグス粒子を生成する最も簡単な方法は、2つのグルーオンが結合して仮想クォークのループを形成することである（ファインマン図を参照）。ヒッグス粒子への粒子の結合は質量に比例するため、この過程は重い粒子でより起こりやすい。実際には、仮想トップクォークと仮想ボトムクォーク（最も重いクォーク）の寄与を考慮するだけで十分である。この過程はLHCとテバトロンにおいて支配的な寄与であり、他のどの過程よりも約10倍起こりやすい。[ 94 ] [ 174 ]
ヒッグス・シュトラールング
素粒子が反粒子と衝突すると（例えばクォークと反クォーク、電子と陽電子など）、両者は融合して仮想的なW粒子またはZ粒子を形成し、十分なエネルギーを持っていればヒッグス粒子を放出することができる。この過程はLEP（電子と陽電子が衝突して仮想 的なZ粒子を形成する）における主要な生成モードであり、テバトロンにおけるヒッグス粒子生成への2番目に大きな寄与であった。LHCではこの過程は3番目に大きい。これはLHCが陽子同士を衝突させるため、テバトロンよりもクォークと反クォークの衝突が起きにくいためである。ヒッグス・シュトラールングは随伴生成としても知られている。[ 94 ] [ 174 ] [ 175 ]
弱ボソン核融合
2つの（反）フェルミオンが衝突する際のもう一つの可能​​性は、仮想的なWボソンまたはZボソンを交換し、ヒッグス粒子を放出することです。衝突するフェルミオンは同じ種類である必要はありません。例えば、アップクォークは反ダウンクォークとZボソンを交換することがあります。このプロセスは、LHCとLEPにおけるヒッグス粒子生成において2番目に重要です。[ 94 ] [ 175 ]
トップフュージョン
一般的に考えられている最後の過程は、はるかに可能性が低い（2桁も低い）ものです。この過程では、2つのグルーオンが衝突し、それぞれが重いクォーク・反クォーク対に崩壊します。その後、各対からクォークと反クォークが1つずつ結合し、ヒッグス粒子を形成します。[ 94 ] [ 174 ]

減衰

ヒッグス粒子の崩壊幅に関する標準モデルの予測は、その質量の値に依存します。

量子力学は、もしある粒子がより軽い粒子の集合に崩壊する可能性があるならば、最終的にはそうなると予測している。[ 176 ]これはヒッグス粒子にも当てはまる。これが起こる可能性は、質量の差、相互作用の強さなど、様々な要因に依存する。これらの要因のほとんどは、ヒッグス粒子自体の質量を除いて、標準模型（SM）によって固定されている。ヒッグス粒子の質量が125 GeV/ c 2 の場合、標準理論は平均寿命を約1.6 × 10 −22 秒[ b ]​

ヒッグス粒子のさまざまな崩壊モードの分岐比に関する標準モデルの予測は、その質量の値に依存します。

ヒッグス粒子は標準模型の質量を持つ素粒子全てと相互作用するため、様々な崩壊過程を経て崩壊する可能性があります。これらの可能な過程にはそれぞれ独自の確率があり、分岐比（その過程に従う崩壊の総数の割合）として表されます。標準模型はこれらの分岐比をヒッグス粒子の質量の関数として予測しています（右のグラフを参照）。

ヒッグス粒子は（a）重いベクトル粒子対、（b）フェルミオン・反フェルミオン対、（c,d）対光子γγまたはZγに崩壊する。[ 177 ]

ヒッグス粒子が崩壊する方法の一つは、フェルミオンと反フェルミオンの対に分裂することです。一般的な規則として、ヒッグス粒子は軽いフェルミオンよりも重いフェルミオンに崩壊する可能性が高くなります。これは、フェルミオンの質量がヒッグス粒子との相互作用の強さに比例するためです。[ 126 ]この論理によれば、最も一般的な崩壊はトップクォークと反トップクォークの対への崩壊であるはずです。しかし、そのような崩壊はヒッグス粒子が~よりも重い場合にのみ可能です。346 GeV/ c 2、トップクォークの2倍の質量である。ヒッグス質量が125 GeV/ c 2では、標準理論は最も一般的な崩壊はボトム-反ボトムクォーク対への崩壊であり、これは57.7%の確率で起こると予測している。[ 2 ]この質量で2番目に多いフェルミオン崩壊はタウ-反タウ対であり、これは約6.3%の確率でしか起こらない。[ 2 ]

もう一つの可能​​性は、ヒッグス粒子が質量を持つゲージボソンのペアに分裂することです。最も可能性の高いのは、ヒッグス粒子がWボソンのペアに崩壊することです（グラフの水色の線）。これは、質量がWのヒッグス粒子の場合、約21.5%の確率で起こります。125 GeV/ c 2。[ 2 ] Wボソンはその後、クォークと反クォーク、または荷電レプトンとニュートリノに崩壊する。Wボソンのクォークへの崩壊は背景からの区別が難しく、レプトンへの崩壊は完全に再構成することができない（ニュートリノは粒子衝突実験では検出できないため）。より明確なシグナルは、Zボソンのペアへの崩壊によって与えられる（質量が125 GeVのヒッグス粒子の場合、約2.6%の確率で起こる）。125 GeV/ c 2）、[ 2 ]各ボソンがその後、検出しやすい荷電レプトン（電子またはミューオン）のペアに崩壊する場合。

質量のないゲージボソン（すなわち、グルーオンまたは光子）への崩壊も可能であるが、仮想的に重いクォーク（トップクォークまたはボトムクォーク）または質量のあるゲージボソンの中間ループが必要である。[ 126 ]最も一般的なそのようなプロセスは、仮想的に重いクォークのループを介したグルーオン対への崩壊である。このプロセスは、前述のグルーオン融合プロセスの逆であり、質量が125 GeV/ c 2。Wボソンまたは重いクォークのループを介して光子対に崩壊する現象ははるかに稀で、1000回の崩壊につき2回しか起こりません。[ 2 ]しかし、この過程はヒッグス粒子の実験的探索に非常に関連しています。なぜなら、光子のエネルギーと運動量を非常に正確に測定できるため、崩壊する粒子の質量を正確に再構築できるからです。[ 126 ]

2021年、極めて稀なダリッツ崩壊が暫定的に観測されました。この崩壊は、仮想光子崩壊によって2つのレプトン（電子またはミューオン）と1つの光子（ ℓℓγ ）に分解されます。これは以下の3つの方法で起こります。

  • ヒッグスから仮想光子、そして ℓℓγへの 変換。仮想光子（ γ* ）の質量は非常に小さいがゼロではない。
  • ヒッグスからZボソン、そしてℓℓγへ 、
  • ヒッグス粒子は 2 つのレプトンに分解され、そのうちの 1 つがℓℓγにつながる最終状態の光子を放出します 。

ATLASは、低 レプトン対 質量（ ≤30 GeV/ c 2 ）では、この過程が支配的となるはずである。この観測値は有意性3.2 シグマ（1000分の1の確率で誤り）である。 [ 3 ] [ 4 ]この崩壊経路は、ヒッグス粒子のオンシェルおよびオフシェル質量の測定を容易にし（崩壊時間の間接的な測定を可能にする）、2つの荷電粒子への崩壊により電荷共役と電荷パリティ（CP）の破れの探査を可能にするため重要である。 [ 4 ]

ペアプロダクション

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）では、ヒッグス粒子対の生成は、単独のヒッグス粒子の生成と同様に、いくつかの異なるメカニズムを通じて起こる。[ 178 ] [ 179 ]

  • グルーオン-グルーオン融合（ggF）が支配的な生成モードである。これは重いクォーク、主にトップクォークを含むループダイアグラムを経て進行し、ボックスダイアグラムとトライアングルダイアグラムの両方のトポロジーを含む。トライアングルダイアグラムはヒッグス三線型自己結合に明示的に依存しており、ボックスダイアグラムとの干渉は全断面積に大きな影響を与える。
  • ベクトルボソン核融合（VBF）は、入射クォーク間で交換される仮想Wボソンまたは仮想Zボソンからヒッグスボソンが放射される現象です。VBFは、その発生率こそ支配的ではありませんが、独特の事象トポロジーと、新しい物理に対する相補的な感度を提供します。
  • ttHH (トップクォーク対を伴う) やVHH (ベクトルボソンを伴う)などの関連する生成チャネルは、より高い重心エネルギーでますます重要になり、ヒッグストップおよびヒッグスゲージボソンの相互作用に対する独自の感度を提供します。

これらの生成メカニズムはそれぞれ、ヒッグス自己結合λに対する感度のレベルが異なり、標準モデルの予測からの逸脱を包括的に探索する上で不可欠な要素となります。

ヒッグス粒子対は様々な経路で崩壊します。最も研究されている終状態には以下のものがあります。

  • HH → bb̄bb̄ : 分岐率が最も高い（約 34%）が、QCD バックグラウンドが大きい。
  • HH → bb̄γγ : 分岐率は低い（約 0.3%）が、光子の明確な識別により質量分解能は優れている。
  • HH → bb̄τ⁺τ⁻ : 信号レートとバックグラウンド汚染の間の適切な妥協点を提供します (分岐比 ~7.3%)。

崩壊モードの選択は、LHC 実験の HH 信号に対する感度に影響します。

公開討論

ネーミング

物理学者が使用する名前

この粒子と場に最も強く結びついている名前は、ヒッグス粒子[ 91 ] : 168 とヒッグス場である。この粒子は、一時期、その著者名（アンダーソンを含むこともある）の組み合わせで知られていた。例えば、ブラウト・エングラー・ヒッグス粒子、アンダーソン・ヒッグス粒子、あるいはエングラー・ブラウト・ヒッグス・グラルニク・ハーゲン・キブル機構などである[ y ]。これらは現在でも時々使われている。[ 63 ] [ 181 ]認知の問題やノーベル賞の共同受賞の可能性もあって[ 181 ] [ 182 ] 、最も適切な名前は2013年まで時折議論の的となっていた。[ 181 ] ヒッグス自身は、この粒子を関係者全員の頭文字を取ったもの、あるいは「スカラー粒子」、あるいは「いわゆるヒッグス粒子」と呼ぶことを好んだ。[ 182 ]

ヒッグスの名がなぜ独占的に使われるようになったのかについては、多くの文献が書かれてきた。主に2つの説明が提示されている。1つ目は、ヒッグスが論文の中で、この粒子を正式に予測し検証する上で、独自性があり、明確で、より明示的なステップを踏んだというものである。PRL論文の著者の中で、質量を持つ粒子の存在を予測として明確に提示し、その特性のいくつかを計算したのはヒッグスの論文だけであった。 [ 183 ]​​ [ 91 ] : 167 そのため、ネイチャー誌 によれば、彼は「質量を持つ粒子の存在を最初に仮定した人物」であった。[ 181 ] 物理学者で作家のフランク・クローズと物理学者でブロガーのピーター・ウォイトはともに、GHKの論文もヒッグスとブロウト＝エングラーがPhysical Review Lettersに投稿された後に完成したとコメントしており、[ 184 ] [ 91 ] : 167 、ヒッグスだけが予測された質量を持つスカラーボソン に注目し、他の全ては質量を持つベクトルボソンに焦点を当てていた。[ 184 ] [ 91 ] : 154,166,175 このように、ヒッグスの貢献は、理論をテストするために必要な重要な「具体的なターゲット」を実験者に提供した。[ 185 ]

しかし、ヒッグスの見解では、ブラウトとエングラートはボソンの存在が彼らの研究で明白であるため、ボソンについて明示的に言及しなかった。[ 68 ] : 6 一方、グラルニクによれば、GHKの論文は対称性の破れのメカニズム全体を完全に分析したものであり、その数学的厳密さは他の2つの論文には欠けており、いくつかの解には質量を持つ粒子が存在する可能性がある。[ 92 ] : 9 科学史家デイヴィッド・カイザーによると、ヒッグスの論文はまた、その課題とその解決策について「特に鋭い」説明を提供した。[ 182 ]

別の説明としては、この名前が1970年代に便利な略語として使われたため、あるいは引用の誤りによって普及したというものがあります。多くの文献（ヒッグス自身[ 68 ] : 7 を含む）では、「ヒッグス」という名前は物理学者ベンジャミン・リーに由来するとされています。[ z ] リーは理論の初期からその普及に尽力し、1972年からその構成要素の「便利な略語」として「ヒッグス」という名前を習慣的に付けていた。[ 16 ] [ 181 ] [ 186 ] [ 187 ] [ 188 ] 少なくとも1つの例では1966年から[ 189 ]リーは脚注で「『ヒッグス』はヒッグス、キブル、グラルニク、ハーゲン、ブラウト、エングラートの略語である」と明言していたが[ 186 ] 、 この用語の使用（そしておそらくスティーブン・ワインバーグが1967年の画期的な論文でヒッグスの論文を最初の論文として誤って引用したことも[ 91 ] [ 190 ] [ 189 ]）により、1975年から1976年頃までに他の人々も「ヒッグス」という名前は、単に略語としてのみ使用される。[ aa ] 2012年、物理学者フランク・ウィルチェクは、素粒子アクシオン（ワインバーグによる代替案「ヒグレット」ではなく）に名前を付けたことで知られるが、「歴史は複雑で、どこに線を引こうとも、そのすぐ下に誰かがいる」と述べて、「ヒッグス粒子」という名前を支持した。[ 182 ]

ニックネーム

ヒッグス粒子は、科学界以外の一般メディアでは「神の粒子」と呼ばれることが多い。[ 191 ] [ 192 ] [ 193 ] [ 194 ] [ 195 ]このニックネームは、ノーベル物理学賞受賞者でフェルミ国立加速器研究所所長のレオン・M・レーダーマンが1993年に出版したヒッグス粒子と粒子物理学に関する書籍「神の粒子：宇宙が答えなら、疑問は何か？」のタイトルに由来している。[ 27 ]レーダーマンはこの本を、米国政府による超伝導超大型加速器への支援が失敗に終わった状況で執筆した。超伝導超大型加速器は[ 196 ]建設途中の巨大な[ 197 ] [ 198 ]大型ハドロン衝突型加速器の競合装置で、計画衝突エネルギーは2 × 20 TeVであり、レーダーマンは 1983 年の構想開始以来[ 196 ] [ ab ] [ 199 ] [ 200 ]擁護していたが、1993 年に閉鎖された。この本は、資金が失われる可能性に直面して、このようなプロジェクトの重要性と必要性​​についての認識を高めることも目的としていた。[ 201 ]この分野の第一人者であるレーダーマンは、本のタイトルを「くそったれの粒子: 宇宙が答えなら、質問は何か?」にしたかったと書いている。レダーマンの編集者は、そのタイトルは物議を醸しすぎると判断し、タイトルを「神の粒子：宇宙が答えなら、疑問は何か？」に変更するよう説得した[ 202 ]。

この用語がメディアで使用されたことで、認知度と関心が高まったかもしれないが、[ 203 ]多くの科学者は、この名称は不適切であると考えている。 [ 16 ] [ 17 ] [ 204 ]なぜなら、センセーショナルな誇張表現であり、読者を誤解させるからである。[ 205 ]また、この粒子はいかなる神とも関係がなく、基礎物理学に多くの疑問を残し、宇宙の究極的な起源を説明していないからである。無神論者のヒッグス粒子は不快感を示し、2008年のインタビューで、この用語は「一部の人々を不快にさせるような誤用」であるため「恥ずかしい」と述べたと報じられている。[ 205 ] [ 206 ] [ 207 ]このニックネームは、主流メディアでも風刺されている。[ 208 ]サイエンスライターのイアン・サンプルは、2010年に出版したヒッグス探索に関する著書の中で、このニックネームは物理学者から「広く嫌われている」、そしておそらく物理学の歴史の中で「最も嘲笑されている」ものだと述べていますが、（レーダーマンによると）出版社は「ヒッグス」に言及したタイトルを想像力に欠け、あまりに知られていないとしてすべて拒否したそうです。[ 209 ] 

レーダーマンは、人類の長い知識の探求を振り返ることから始め、その冗談めいたタイトルは、ビッグバンのヒッグス場が基本的な対称性に与えた影響と、その結果として現在の宇宙を形作った構造、粒子、力、相互作用の明らかな混沌とを、初期の創世記にある原始的な単一言語が多くの異なる言語と文化に分裂したという聖書のバベルの物語との類似性を描いていると説明している。[ 210 ]

今日、 標準モデルは現実のすべてを12個ほどの粒子と4つの力に還元します。[...  ] これは苦労して得られた単純さであり、驚くほど正確です。しかし、不完全で、実際には内部的に矛盾しています。 [...] このボソンは今日の物理学の核心であり、物質の構造に関する最終的な理解に非常に重要でありながら、あまりにも捉えどころがないため、私はこれに「神の粒子」というニックネームを付けました。なぜ「神の粒子」なのか？理由は2つあります。1つは、出版社が「クソ粒子」と呼ぶことを許可しなかったことです。しかし、その悪質な性質と費用を考えると、その方が適切なタイトルかもしれません。2つは、別の本、ずっと古い本と何らかのつながりがあるからです。

— レダーマン & テレシ[ 27 ] : 22

レーダーマンは、ヒッグス粒子が宇宙の知識を求める人々を困惑させるために追加されたのか、そして物理学者たちは物語に語られているようにヒッグス粒子に困惑するのか、それとも最終的にその課題を乗り越えて「神が作った宇宙はどれほど美しいのか」を理解するのかを問うている。[ 211 ]

その他の提案

2009年にイギリスの新聞「ガーディアン」が行った改名コンテストの結果、同紙の科学担当記者は「シャンパンボトルボソン」という名前を最優秀作品に選びました。「シャンパンボトルの底はヒッグスポテンシャルの形をしており、物理学の講義でよく例えとして使われます。ですから、これは恥ずかしいほど大げさな名前ではなく、覚えやすく、物理学との関連もあります。」[ 212 ]ヒッグソン という名前は、物理学研究所のオンライン出版物physicsworld.comに掲載された意見記事でも提案されました。[ 213 ]

教育的な説明と類推

分散プリズムを通過する光の写真。虹のような効果は、プリズムの分散物質によって光子がすべて同じ程度影響を受けるわけではないために発生します。

ヒッグス粒子とその場がどのように質量を生み出すかについての類推や説明については、公の場でかなりの議論がなされてきた。[ 214 ] [ 215 ] その中には、説明を試みた試み自体の報道や、1993年に当時の英国科学大臣ウィリアム・ウォルデグレーブ卿が最も普及している説明を選ぶコンテスト[ 216 ] 、そして世界中の新聞の記事などがある。

LHC物理学者とCERNの高校教師による教育協力では、虹と分散プリズム の原因となる光の分散が、 ヒッグス場の対称性の破れと質量発生効果の有用なアナロジーとなることが示唆されている。 [ 217 ]

光学における対称性の破れ真空中では、あらゆる色の光（あるいはあらゆる波長の光子）は同じ速度で進み、対称的な状態となります。ガラス、水、空気などの物質では、この対称性が破れます（ 「物質中の光子」を参照）。その結果、異なる波長の光は異なる速度を持ちます。
素粒子物理学における対称性の破れ「素朴な」ゲージ理論では、ゲージボソンをはじめとする基本粒子はすべて質量ゼロであり、これも対称的な状況です。ヒッグス場の存在下ではこの対称性は破れ、結果として異なる種類の粒子は異なる質量を持つことになります。

マット・ストラスラーは電界を例えとして用いている。[ 218 ]

ヒッグス場と相互作用する粒子と、そうでない粒子があります。ヒッグス場を感じる粒子は、まるで質量を持っているかのように振る舞います。電場でも同様のことが起こります。荷電した物体は引き寄せられ、中性物質は影響を受けずに通り抜けます。つまり、ヒッグス粒子探索は、ヒッグス場に波を起こそう（ヒッグス粒子を生成しよう）とすることで、ヒッグス場が本当に存在することを証明しようとする試みだと考えることができます。

ガーディアン紙も同様の説明をしている。[ 219 ]

ヒッグス粒子は本質的に、宇宙の誕生時に出現し、今日まで宇宙に広がっていると言われる場のさざ波です。しかし、この粒子は極めて重要です。それは決定的な証拠であり、理論が正しいことを示すために必要な証拠なのです。

ヒッグス場の粒子への影響は、物理学者デイヴィッド・ミラーによって、部屋いっぱいに均等に集まった政党関係者に例えられたことで有名である。群衆は有名人に引き寄せられて動きを遅くするが、他の人の動きを遅くすることはない。[ ac ]彼はまた、結晶格子の存在下では電子の有効質量が通常よりもはるかに大きくなることがある固体物理学 におけるよく知られた効果にも注目した。[ 220 ]

「シロップ」や「糖蜜」などの抗力効果に基づく類推もよく知られているが、ヒッグス場は単に一部の粒子の運動に抵抗するが他の粒子の運動には抵抗しないという意味に（誤って）理解される可能性があるため、やや誤解を招く可能性がある。単純な抵抗効果はニュートンの第三法則と矛盾する可能性がある。[ 222 ]

ヒッグス粒子は、ヒッグス場ではなく質量の原因であり、宇宙のほとんどの質量に関係していると誤解されることが多い。[ 223 ] [ 224 ] [ 225 ]陽子の質量の約91%は、ヒッグス相互作用ではなく、クォークとグルーオンの場とQCD共形異常によるものである。 [ 226 ]

表彰と賞

2013年後半まで、ヒッグス粒子が証明された場合の功績の分配方法について、ノーベル賞が期待されていたためより明確な形で提示され、また、受賞対象者の範囲が非常に広範であったことなど、かなりの議論がありました。これには、ヒッグス機構理論を可能にした幅広い理論家、1964年のPRL論文の理論家（ヒッグス自身を含む）、これらの論文から実用的な電弱理論と標準模型そのものを導出した理論家、そしてヒッグス場とヒッグス粒子の実際の証明を可能にしたCERNなどの実験家が含まれます。ノーベル賞は3名までが受賞者となる制限があり、受賞候補者の中には既に他の研究で受賞者となっている人や、故人となっている人もいます（ノーベル賞は生前に授与される）。ヒッグス場、ヒッグス粒子、またはヒッグス機構に関する研究で授与される既存の賞には、以下のものがあります。

  • ノーベル物理学賞（1979年） -グラショー、サラム、ワインバーグ、素粒子間の弱い相互作用と電磁相互作用の統一理論への貢献[ 227 ]
  • ノーベル物理学賞（1999年） -トホーフトとフェルトマン、物理学における電弱相互作用の量子構造の解明に対して[ 228 ]
  • 理論素粒子物理学におけるJJ桜井賞（2010年） – ハーゲン、エングラー、グラルニク、ヒッグス、ブラウト、キブル、4次元相対論的ゲージ理論における自発的対称性の破れの性質とベクトルボソン質量の一貫した生成メカニズムの解明[ 89 ] （上記の1964年の論文に対して）
  • ウルフ賞(2004) – イングラート、ブラウト、ヒッグス
  • 基礎物理学特別ブレークスルー賞（2013年） - ATLAS共同研究のスポークスパーソンであるファビオラ・ジャノッティとピーター・ジェニ、およびCMS共同研究の過去および現在のスポークスパーソンであるミシェル・デラ・ネグラ、テジンダー・シン・ヴィルディー、グイド・トネッリ、ジョセフ・インカンデラ。「CERNの大型ハドロン衝突型加速器におけるATLAS共同研究とCMS共同研究による新しいヒッグス粒子の発見につながった科学的取り組みにおけるリーダーシップ」[ 229 ]
  • ノーベル物理学賞（2013年） –ピーター・ヒッグスとフランソワ・アングレール、素粒子の質量の起源の理解に貢献するメカニズムの理論的発見に対して。この発見は、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験とCMS実験によって、予測されていた基本粒子の発見によって最近確認された。[ 230 ]

イングラートの共同研究者ロバート・ブラウトは2011年に亡くなっており、ノーベル賞は通常死後に授与されることはない。[ 231 ]

さらに、フィジカル・レビュー・レターズ50周年レビュー（2008年）では、1964年のPRL対称性の破れに関する論文と、ワインバーグの1967年の論文『レプトンのモデル』（2012年現在、素粒子物理学で最も引用されている論文）が「マイルストーン・レターズ」として認められました。[ 86 ]

2012年7月にヒッグス粒子のような粒子が観測されたとの報道を受けて、インドの複数のメディアは、1920年代の研究にちなんで「ボソン」という粒子のクラスに命名されたインドの物理学者サティエンドラ・ナート・ボースへの功績が軽視されていると報じた[ 232 ] [ 233 ] （物理学者たちはボースとこの発見との関連は薄いと述べている）。[ 234 ]

技術的側面と数学的定式化

ヒッグス場のポテンシャルを と の関数としてプロットしたもの。地上ではソンブレロまたはシャンパンボトルのような形状をしている。ϕ0{\displaystyle \phi ^{0}}ϕ3{\displaystyle \phi ^{3}}

標準モデルでは、ヒッグス場は、弱いアイソスピンSU(2)対称性 の複雑な二重項を形成する4成分のスカラー場である。

ϕ＝12（ϕ1+私ϕ2ϕ0+私ϕ3）{\displaystyle \phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{array}}\right)\,}

場には電荷+ ⁠1/2⁠弱超荷電U(1)対称性の下では[ 235 ]

注: この記事では、電荷Q、弱アイソスピンT 3、弱ハイパー電荷Y Wの関係をQ = T 3 + Y Wとするスケーリング規約を採用しています。他のほとんどのWikipedia記事では、 Q = T 3 + ⁠という異なる規約が使用されています。1/2⁠ Y W . [ 236 ] [ 237 ] [ 238 ]

ラグランジアンのヒッグス部分は[ 235 ]

LH＝|（∂μ−私グラムWμ1つの12σ1つの−私12グラム′Bμ）ϕ|2+μH2ϕ†ϕ−λ（ϕ†ϕ）2 、{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }-igW_{\mu \,a}{\tfrac {1}{2}}\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right|^{2}+\mu _{\text{H}}^{2}\phi ^{\dagger }\phi -\lambda \left(\phi ^{\dagger }\phi \right)^{2}\ ,}

ここで、およびはSU(2)およびU(1)対称性のゲージボソンであり、それぞれの結合定数、はパウリ行列（SU(2)対称性の生成元の完全なセット）、およびであり、基底状態はSU(2)対称性を破ります（図を参照）。 Wμ1つの{\displaystyle W_{\mu \,a}}Bμ{\displaystyle B_{\mu}}グラム{\displaystyle g}グラム′{\displaystyle g'}σ1つの{\displaystyle \sigma ^{a}}λ>0{\displaystyle \lambda >0}μH2>0{\displaystyle \mu _{\text{H}}^{2}>0}

ヒッグス場の基底状態（ポテンシャルの底）は縮退しており、異なる基底状態はSU(2)ゲージ変換によって互いに関連している。基底状態 となるようなゲージを常に選ぶことが可能である。この場合、基底状態の期待値（真空期待値、VEV）は となる。ここで である。このパラメータの測定値は ~ である。ϕ1＝ϕ2＝ϕ3＝0{\displaystyle \phi ^{1}=\phi ^{2}=\phi ^{3}=0}ϕ0{\displaystyle \phi ^{0}}⟨ϕ0⟩＝12v{\displaystyle \left\langle \phi ^{0}\right\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2\,}}}v}v＝1λ|μH|{\displaystyle v={\tfrac {1}{\sqrt {\lambda \,}}}\left|\mu _{\text{H}}\right|}246 GeV/ c 2。[ 126 ]これは質量の単位を持ち、標準模型の自由パラメータの中で唯一無次元数ではない。WボソンとZボソンの質量を与える二次項と二次項が生じる。 [ 235 ]Wμ{\displaystyle W_{\mu}}Bμ{\displaystyle B_{\mu}}

メートルW＝12v|グラム| 、メートルZ＝12vグラム2+グラム′2  、{\displaystyle {\begin{aligned}m_{\text{W}}&={\tfrac {1}{2}}v\left|\,g\,\right|\ ,\\m_{\text{Z}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ ,\end{aligned}}}

それらの比はワインベルグ角を決定し、質量のないU(1)光子を残す。ヒッグス粒子自体の質量は コス⁡θW＝メートルW メートルZ ＝|グラム| グラム2+グラム′2  {\textstyle \cos \theta _{\text{W}}={\frac {m_{\text{W}}}{\ m_{\text{Z}}\ }}={\frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}}γ{\displaystyle \gamma}

メートルH＝2μH2 ≡2λv2 。{\displaystyle m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu _{\text{H}}^{2}\ }}\equiv {\sqrt {2\lambda v^{2}\ }}.}

クォークとレプトンは湯川相互作用項を通じてヒッグス場と相互作用します。

Lはい＝−λあなた私j ϕ0−私ϕ3 2 あなた¯L私あなたRj+λあなた私j ϕ1−私ϕ2 2 d¯L私あなたRj−λd私j ϕ0+私ϕ3 2 d¯L私dRj−λd私j ϕ1+私ϕ2 2 あなた¯L私dRj−λe私j ϕ0+私ϕ3 2 e¯L私eRj−λe私j ϕ1+私ϕ2 2 ν¯L私eRj+hc 、{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Y}}=&-\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {\nu }}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {hc}}\ 、\end{aligned}}}

ここで、i世代の左巻きおよび右巻きのクォークとレプトンであり、湯川結合行列である。ここで、hcは前項すべてのエルミート共役を表す。対称性が破れた基底状態では、を含む項のみが残り、フェルミオンの質量項が生じる。クォーク場とレプトンの場を、湯川結合行列が対角となる基底に回転させる。 （d、あなた、e、ν）左、右私{\displaystyle (d,u,e,\nu )_{\text{L,R}}^{i}}λu、d、e私j{\displaystyle \lambda _{\text{u,d,e}}^{i\,j}}ϕ0{\displaystyle \phi ^{0}}

Lメートル＝−メートルあなた私あなた¯L私あなたR私−メートルd私d¯L私dR私−メートルe私e¯L私eR私+hc、{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{m}}=-m_{\text{u}}^{i}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{i}+{\textrm {hc}},}

ここでフェルミオンの質量は、湯川行列の固有値を表す。[ 235 ]メートルu、d、e私＝12 λu、d、e私v{\displaystyle m_{\text{u,d,e}}^{i}={\tfrac {1}{\sqrt {2\ }}}\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}v}λu、d、e私{\displaystyle \lambda _{\text{u,d,e}}^{i}}

参照

標準モデル

他の

説明ノート

  1. ^このようなイベントは他のプロセスによっても発生することに注意してください。検出には、特定のエネルギーにおけるこのようなイベントの統計的に有意な過剰が必要です。
  2. ^ a b標準モデル では、質量が125 GeV/ c 2は4.07 × 10 −3  GeV . [ 2 ]平均寿命は次のように与え られる。τ＝ℏ/Γ{\displaystyle \tau =\hbar /\Gamma }
  3. ^ヒッグスベースの理論では、ヒッグス粒子自体は例外であり、高エネルギーでも質量を持つはずである。
  4. ^物理学においては、ある法則が成り立つのは、特定の仮定が成り立つ場合、あるいは特定の条件が満たされた場合に 限られます。例えば、ニュートンの運動の法則は、相対論的効果が無視できる速度においてのみ適用されます。また、伝導率、気体、そして古典物理学（量子力学とは対照的に）に関連する法則は、特定の範囲の大きさ、温度、圧力、その他の条件においてのみ適用される場合があります。
  5. ^これを説明する例として、鉛筆が先端でバランスをとっている場合を考えてみましょう。鉛筆は何らかの外乱を受けると、ある方向に倒れてしまいます。この系は方向に関して対称ですが、鉛筆は何らかの方向に倒れるため、方向対称性が破れます。
  6. ^ 理論素粒子物理学では、粒子A が粒子Bを「吸収」するとは、常に 2 つの粒子が同時に作用し、その複合効果が観測量では分離できないときを言います。プロセスの数学的記述はAとB の2 つの部分で表されますが、観測される前提条件とその結果が、実質的に 1 つの粒子のように見えるものの相互作用と区別できません (この粒子には通常、わずかに異なる別の名前が付けられます。たとえば、理論上のW 3とB 0の電弱ボソンの組み合わせの 1 つはZ ボソンと呼ばれます)。
  7. ^ a b c ヒッグスに基づく電弱理論と標準モデルの成功は、後に検出された2つの粒子の質量の予測によって示されている。Wボソン（予測質量：80.390 ± 0.018 GeV/ c 2、実験測定値：80.387 ± 0.019 GeV/ c 2）、およびZボソン（予測質量：91.1874 ± 0.0021 GeV/ c 2、実験測定値：91.1876 ± 0.0021 GeV/ c 2）。他の正確な予測には、弱い中性カレント、グルーオン、トップクォークとチャームクォークなどがあり、いずれも後に存在が証明されました。
  8. ^電弱対称性は、ヒッグス場の最も低いエネルギー状態、すなわち基底状態によって破れる。高エネルギーレベルではこれは起こらず、弱い力のゲージボソンはそれらのエネルギーレベル以上では質量がなくなると予想される。
  9. ^ 力の範囲は、それを伝達する粒子の質量に反比例します。 [ 26 ]
    標準模型では、力は仮想粒子によって運ばれます。これらの粒子の運動と相互作用は、エネルギー・時間不確定性原理によって制限されます。その結果、単一の仮想粒子の質量が大きいほど、そのエネルギーは大きくなり、移動できる距離は短くなります。したがって、粒子の質量は、他の粒子と相互作用できる最大距離、および粒子が媒介するあらゆる力を決定します。同様に、逆もまた真です。質量がゼロの粒子や質量がゼロに近い粒子は、長距離の力を運ぶことができます。
    実験により弱い力は非常に短い範囲でのみ作用することが示されているため、質量を持つゲージボソンが存在するはずであり、実際、それらの質量は測定によって確認されている。
    （コンプトン波長と静的力と仮想粒子交換も参照）
  10. ^ 1960年代までに、多くの人々は既にゲージ理論が素粒子物理学を説明できないと考え始めていました。なぜなら、理論家たちは質量問題を解決できず、ゲージ理論がどのように解決策を提供できるのかさえ説明できなかったからです。そのため、まだ存在が証明されていないヒッグス場に依存する標準模型が根本的に間違っている可能性があるという考えは、不合理ではありませんでした。
    これに対し、1972年頃にこのモデルが開発されて以降、これより優れた理論は存在せず、その予測と解は非常に正確であったため、いずれにせよこのモデルが主流となりました。そして、このモデルが正しいかどうかを知ることが、科学にとって極めて重要になりました。
  11. ^ディスカバリー記者会見、2012年7月：
    「素人の私としては、発見したと思います」と、欧州原子核研究機構（CERN）のロルフ＝ディーター・ホイヤー所長は、水曜日に行われたヒッグス粒子探索の成果発表セミナーで述べた。しかし、その後、記者から「それ」が一体何なのかと問われると、事態はより複雑になった。
    「ボソンを発見しました。今度はそれがどんなボソンなのかを突き止めなければなりません」[Q]: 「新しい粒子がヒッグス粒子だと分からなければ、一体何が分かるというのでしょうか？」[A]: CMSのヴィヴェック・シャルマ氏は「何らかのボソンであることは分かっています」と述べています[...] [Q]: 「CERNの科学者たちは慎重すぎるのでしょうか？ それをヒッグス粒子と呼ぶのに十分な証拠は何でしょうか？」[A]: ヒッグス粒子には様々な種類が存在する可能性があるため、明確な答えはありません。[ 29 ]
    [強調は原文のまま]
  12. ^この記述では、パイオンなどの スピン 0中間子は除外されている。なぜなら、それらはスピン 0 のペアの複合体であることが知られているからである。 1 /2⁠フェルミオン。
  13. ^例えば、ハフィントン・ポスト/ロイター[ 49 ]など。 [ 50 ]
  14. ^バブルの影響は、発生した場所を問わず、光速で宇宙全体に伝播すると予想される。しかし、宇宙は広大であり、最も近い銀河でさえ200万光年以上離れており、他の銀河は数十億光年も離れているため、このような事象の影響が地球に現れるのは、発生から数十億年後になる可能性が高い。 [ 55 ] [ 56 ]
  15. ^標準モデルが妥当であれば、我々の宇宙で観測される粒子や力は、根底にある量子場によって、今のような形で存在しているということになる。量子場は、「安定」、「不安定」、「準安定」状態（後者は十分な摂動を受けない限り安定を保つ）など、安定性の異なる状態を取り得る。より安定した真空状態が発生すれば、既存の粒子や力は現在のようには発生しなくなる。新たに発生した量子状態から、異なる粒子や力が発生し（そして形作られ）、それが形成されるだろう。我々が知る世界はこれらの粒子と力に依存しているため、もしこれが起こった場合、素粒子から銀河まで、そしてあらゆる基本的な力は、新たな基本的な粒子、力、構造に再構成されることになる。宇宙は現在の構造をすべて失い、（関係する正確な状態に応じて）同じ量子場に基づく新しい構造が支配するようになる可能性がある。
  16. ^ a bゴールドストーンの定理は、明白なローレンツ共変性を持つゲージにのみ適用され、この条件が疑問視されるまでには時間がかかりました。しかし、量子化の過程ではゲージを固定する必要があり、この時点で「放射」ゲージのように時間不変ではないゲージを選択することが可能になり、これらの問題を回避できるようになります。バーンスタイン（1974） 8ページによれば：

    「放射ゲージ」条件∇⋅A( x ) = 0は明らかに共変ではない。つまり、すべてのローレンツ系において光子の横断性を維持したい場合、光子場A μ ( x ) は4元ベクトルのように変換できない。これは大惨事ではない。なぜなら、光子場は観測可能ではなく、観測可能なS行列要素が共変構造を持つことは容易に示すことができるからである。…ゲージ理論では、真空の非不変性のために対称性が破綻するように物事を整理することができるが、ゴールドストーンらの証明は破綻するため、ゼロ質量のゴールドストーン中間子は必ずしも出現するわけではない。[強調は原文のまま]

    Bernstein (1974)には、この分野に関する分かりやすく包括的な背景とレビューが記載されています。外部リンクを参照してください。
  17. ^「メキシカンハット」ポテンシャルを持つ場は、ゼロではなく、ゼロでない値で最小値を持ちます。作用を場（位置に依存しない定数）で表すと、湯川項には成分があることがわかります。gとgはどちらも定数なので、これは質量 のフェルミオンの質量項と全く同じように見えます したがって、場 はヒッグス場です。V（ϕ）＝μ2ϕ2+λϕ4{\displaystyle V(\phi )=\mu ^{2}\phi ^{2}+\lambda \phi ^{4}}μ2<0{\displaystyle \mu ^{2}<0}ϕ0 .{\displaystyle \phi _{0}~.}ϕ~=ϕ−ϕ0{\displaystyle {\tilde {\phi }}=\phi -\phi _{0}}ϕ0{\displaystyle \phi _{0}}gϕ0ψ¯ψ .{\displaystyle g\phi _{0}{\bar {\psi }}\psi ~.}ϕ0{\displaystyle \phi _{0}}gϕ0{\displaystyle g\phi _{0}}ϕ~{\displaystyle {\tilde {\phi }}}
  18. ^ a b この例は、7 TeVで稼働するLHCにおけるヒッグス粒子生成率に基づいています。LHCにおけるヒッグス粒子生成の全断面積は約10 ピコバーンです[ 94 ]。一方、陽子-陽子衝突の全断面積は110 ミリバーンです[ 95 ]。
  19. ^ LEP が停止する直前に、ヒッグス粒子の存在を示唆するいくつかのイベントが観測されたが、その実行を延長して LHC の建設を遅らせるほど重要ではないと判断された。
  20. ^ a b c ATLASとCMSは7月にこの粒子を共同発見したばかりです…今日以降、それがヒッグス粒子であるかどうか、標準模型のヒッグス粒子であるかどうか、あるいは特定の推測的なアイデアが…排除されるかどうかは分かりません…自然に関する知識は容易に得られるものではありません。私たちは1995年にトップクォークを発見しましたが、今日もその特性について学んでいます…今後数十年間、ヒッグス粒子について重要なことを学び続けることになるでしょう。私たちには辛抱強く待つしかありません。— M. シュトラスラー (2012) [ 129 ]
  21. ^ 標準模型では、任意のフェルミオンに対するディラック・ラグランジアンから生じる質量項は である。これは電弱対称性の下では不変ではない。これは、左手系と右手系の成分を用いて次のように書くことでわかる。 ψ{\displaystyle \psi }−mψ¯ψ{\displaystyle -m{\bar {\psi }}\psi }ψ{\displaystyle \psi }
    −mψ¯ψ=−m(ψ¯LψR+ψ¯RψL){\displaystyle -m{\bar {\psi }}\psi \,=\,-m\left({\bar {\psi }}_{L}\psi _{R}+{\bar {\psi }}_{R}\psi _{L}\right)}
    すなわち、とからの寄与は現れない。質量生成相互作用は、粒子のカイラリティの定常的な反転によって達成されることがわかる。スピンハーフ粒子は、同じSU(2)およびSU(3)表現、そして同じ弱ハイパーチャージを持つ右/左ヘリシティペアを持たないため、これらのゲージ電荷が真空中で保存されると仮定すると、スピンハーフ粒子のいずれもヘリシティを交換することはできない。したがって、他の原因がない限り、すべてのフェルミオンは質量ゼロでなければならない。ψ¯LψL{\displaystyle {\bar {\psi }}_{L}\psi _{L}}ψ¯RψR{\displaystyle {\bar {\psi }}_{R}\psi _{R}}
  22. ^ゴールドストーンの定理も、このような理論において重要な役割を果たします。技術的には、凝縮体が対称性を破る場合、対称性生成子を凝縮体に作用させることで到達する状態は、以前と同じエネルギーを持ちます。これは、ある種の振動はエネルギー変化を伴わないことを意味します。エネルギーが変化しない振動は、振動に関連する励起（粒子）が質量を持たないことを意味します。したがって、結果として、ゴールドストーンボソンと呼ばれる質量のない新しい粒子が存在するはずです。質量ゼロのゲージボソンは常に長距離相互作用を媒介するため、新しい長距離力も存在するはずです。
  23. ^ 当初、タキオンは光速よりも速く移動する粒子と考えられていました…しかし現在では、タキオンはそれを含む理論の不安定性を示すことが分かっています。SFファンにとって残念なことに、タキオンは自然界に現れる実際の物理粒子ではありません。 [ 161 ]
  24. ^この上限は185 GeV/ c 2の下限がLEP-2の直接探索から114.4 GeV/ c 2が許容される。 [ 172 ]
  25. ^ その他の名前としては以下が挙げられる:
    • 「アンダーソン・ヒッグス」機構[ 180 ]
    • 「ヒッグス・キブル」メカニズム (アブドゥス・サラム著) [ 91 ]および
    • 「ABEGHHK-'tH」メカニズム [Anderson、Brout、Englert、Guralnik、Hagen、Higgs、Kibble、't Hooft 用] (Peter Higgs 著)。[ 91 ]
  26. ^ベンジャミン・W・リーは韓国語名のイ・ウィソも使用している。
  27. ^「ヒッグス粒子」 という用語を使った初期の論文の例としては、
    • Ellis、Gaillard、Nanopoulos (1976)「ヒッグス粒子の現象学的プロファイル」
    • Bjorken (1977)「弱い相互作用理論と中性カレント」
    • Wienberg (受理、1975年)「ヒッグス粒子の質量」。
  28. ^国際的な資金協力こそが、このようなプロジェクトを救う唯一の道となるかもしれない。議会が致命的な打撃を与えたと考える人もいる。「勢いと楽観主義を維持し、国際協力について考え始めなければならない」と、超大型加速器計画の立案者でノーベル賞受賞物理学者のレオン・M・レーダーマンは述べた。 [ 196 ]
  29. ^ミラーのアナロジーでは、ヒッグス場は部屋中に均等に散らばった政党関係者に例えられる。群衆の中を楽々と通り抜ける人々（ミラーの例では匿名の人物）もいるだろう。これは、ヒッグス場と相互作用しない粒子（例えば質量のない光子）との相互作用と類似している。一方、群がる崇拝者たちによって常に進行が遅れる人々（ミラーの例では英国首相）もいるだろう。これは、ヒッグス場と相互作用し、それによって有限の質量を獲得する粒子との相互作用と類似している。 [ 220 ] [ 221 ]

参考文献

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