こんにちは、ヒッグス粒子: LHC の新粒子は本物のように見える

「我々は新しい粒子を発見した」と欧州原子核研究機構（CERN）のロルフ・ホイヤー所長は水曜日の朝に語った。「ボソンだ。おそらくヒッグス粒子だ」。科学界で最も期待されるニュースであっても、何らかの注意点がないわけではない。

それでも、すべての兆候は、現代物理学における最も重要な発見の 1 つと言える、今日の発見を示しています。質量の運搬体であり、物理学の現在の理論の最後のパズルピースである不可解なヒッグス粒子が、ついに発見された可能性があります。次は楽しい部分です。それがどのように見えるかによって、この物語はまだ始まったばかりかもしれません。[更新]

物理現実の根底にある基本粒子と力を研究するために建設されたヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) での 2 つの実験で、別々に新粒子の証拠が発見された。ATLAS 実験と CMS 実験の両方で、統計的信頼度が 5 シグマと報告された。これは、新粒子が存在するという 100% の確実性を意味する。この興味深い兆候が最初に見られたのは昨年の秋だったが、それ以来、LHC はさらに多くの粒子を衝突させて、何が出てくるかを調べてきた。水曜日のニュースは 2011 年と 2012 年のデータの結果だが、2012 年のデータはまだ分析中である。

ATLAS と CMS の両研究によると、ヒッグス粒子の重さは理論予測どおりである。約 125～126 ギガ電子ボルトで、陽子の約 130 倍の重さである。LHC は、非常に高いエネルギーを持つ陽子を巨大な一連の管に通して加速し、それらを衝突させることで、ヒッグス粒子を発見することができた。質量とエネルギーは同じものであるため、陽子が非常に高いエネルギーを持つ場合、陽子は非常に大きくなる。陽子は衝突すると粉々に砕け散り、物理学者はその破片の中により小さな構成粒子を探す。そこでヒッグス粒子が見つかるのだ。

「これは確かに新しい粒子です。ボソンであることはわかっていますし、これまで発見された中で最も重いボソンです」と CMS の広報担当者ジョー・インカンデラ氏は語った。しかし、それが有名なヒッグス粒子であることを確認するには、まだ多くの作業が必要です。慎重な発言にもかかわらず、このニュースは CERN と米国の物理学研究所で明らかに祝賀の材料となりました。「素人の私としては、私たちはそれを見つけたと思います」とホイヤー氏は水曜日の朝、聴衆に語りました。「皆さんも同意しますか?」それに応じて、大きな拍手が起こりました。

ヒッグス粒子がなければ、物理学者は宇宙、つまり星、銀河、そして私たち人間がどうやって存在できるのかを説明することができません。ヒッグス粒子はクォークや電子のような粒子ですが、実際にはヒッグス場と呼ばれる力場の構成要素です。ヒッグス場は、すべてのものが感じる普遍的な粘着性のようなものです。ライス大学の素粒子物理学者ポール・パドリー氏は、「光子は良い例えです」と言います。光子は軽い粒子ですが、電磁力も運びます。ヒッグス粒子は同様の力の運び手です。理論によれば、他のすべての粒子、つまり小さなクォークやレプトンはすべてこの粘着性場と相互作用し、この相互作用によって質量が生まれます。質量によって粒子が相互作用し、原子や分子、星や私たち人間に結合することができます。

「私たちがこのことに関心を持つ理由は、ヒッグス粒子が存在しなければ、私たちがなぜ存在するのか物理的にはまったく理解できないからです」とパドリー氏は言う。「宇宙を説明することはできないのです。」

現在83歳のスコットランドの物理学者ピーター・ヒッグス氏は、数十年前にこの大混乱を説明するために同名の粒子を理論化した。ロイター通信によると、同氏は水曜日の欧州原子核研究機構（CERN）のシンポジウムの最前列に座り、涙を浮かべたという。「私が生きている間にこんなことが起こるなんて信じられないことだ」と、同氏は同僚の科学者らに語った。

5シグマでの2回の別々の検証は、一部の物理学者が予想していたよりも強いシグナルだ。昨年、ATLASチームは125～126 GeVのヒッグス粒子の兆候を、信頼度レベル3.6σで観測した。CMSチームは、124 GeV付近に可能性を見出し、信頼度レベル2.6σだった。

2 つの異なる実験を使用することは、結果を検証する方法の 1 つであると、フェルミ国立加速器研究所の物理学者で CMS チームのメンバーでもあるダン・グリーン氏は述べた。ATLAS 検出器と CMS 検出器は、粒子を研究するために異なる冷却機構と検出方法を使用しているため、各検出器の誤差は異なる。両方の検出器で何かが検出されれば、偶然である可能性は大幅に減少する。

ATLASとCMSの両チームは、相互汚染や意図しない偏りの可能性を減らすため、水曜日まで結果を秘密にしていた。両共同研究に関わった物理学者らは、このことが会話をぎこちないものにしたと語った。

「とても奇妙です。先週、私は CERN にいて、ATLAS 実験に参加している友人たちと座って昼食を食べていましたが、ヒッグス粒子の探索については話しませんでした。頭を悩ませないようにするためです」とパドリー氏は言う。「その代わりに、加速器の性能がいかに優れているか、あるいは暗黒物質が何であるかを推測する話をします。世界の経済問題を解決するかもしれません。ただ、他のことに移るだけです。」

今では、それが発見された ―ええと、おそらく、おそらく、発見されたようです ― やるべきことはまだたくさんあります。ホイヤーが言ったように、物理学者は今、これがどのような種類のヒッグス粒子であるかを見つけなければなりません。それは粒子と力の標準モデルに従って動作するのか、それともそうでないのか？その特性は何か？これらの質問は、ある意味でさらに興味深いものになるかもしれません。「これは、この興味深い粒子のすべての特性を調査するための長い旅の始まりです」とホイヤーは言いました。

パドリー氏は、その後の手順を犯罪現場に例えました。誰かが行方不明になり、大規模な捜索が始まると想像してください。数か月後、湖で遺体が見つかり、行方不明者の特徴と一致しました。

「その時点で、警察は非常に慎重になるだろう。彼らは『犯人を特定する前にDNA検査をしよう』と言うだろう」と彼は語った。「だから、ヒッグス粒子と一致する粒子が見つかったとしても、それを研究し、それが実際に我々の理論で知られ、愛されているヒッグス粒子であることを確認するなど、やるべきことはまだたくさんある」

取り組むべき理論上の疑問は山ほどある。ヒッグス粒子には4つの同族粒子があるかもしれないと、アルゴンヌ国立研究所の物理学者でATLASチームのメンバーでもあるトム・ルコンプ氏は言う。「ヒッグス度」の尺度で言えば、この粒子は100％ヒッグス粒子かもしれないし、それ以下かもしれないと同氏は言う。物理学者は、ヒッグス粒子が想定どおりの働きをするのか、それとも本当に4つのバージョンがあるのか​​を解明する必要がある。電荷を持つバージョンや、より重いバージョンやより軽いバージョンがあるのか​​もしれない。ヒッグス粒子はスカラー粒子かもしれない。電荷もスピンもない、実に奇妙な粒子だ。ヒッグス粒子は初のスカラー基本粒子となるだろう。

「だからこそ、誰もがこの発見に興奮しているだけでなく、この発見が物理学にもたらす可能性にも興奮しているのです」とホイヤー氏は語った。

それで、夏にもっと興味深い結果が出るのを期待してください。