ヒッグス粒子の発見方法| 科学| スミソニアン - 記事、雑誌、科学、技術、宇宙

編集者注：2013年10月8日、ピーターヒッグスとフランソワエングラルトは、ヒッグスボソンに関する研究でノーベル物理学賞を受賞しました。 以下では、科学コラムニストのブライアン・グリーンが発見の背後にある科学について説明しています。

この物語から

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ATLAS検出器は、CERNの大型ハドロン衝突型加速器での粒子スマッシュアップでとらえどころのないヒッグス粒子を発見する2つの実験のうちの1つで、最大747ジェットの重量があり、1, 800マイル以上のケーブルを収容します。（クローディア・マルチェッローニ/ CERN）

大型ハドロン衝突型加速器のコンパクトミュオンソレノイドは、行為中に粒子を捕らえます。（マイケル・ホッホ/ CERN）

図面に戻る：物理学者ピーター・ヒッグスは、粒子の質量の原因を説明する有名な方程式を走り書きします。真実を証明するには半世紀かかります。（スチュアートウォレス/ Splash News / Newscom）

チームは、ATLAS検出器と連携します。これは、粒子スマッシュアップでとらえどころのないヒッグス粒子を見つけるための2つの実験の1つです。（クローディア・マルチェッローニ/ CERN）

設置前、CMS検出器の一部はCERNの清掃室に住んでいました。（Maximilien Brice、Michael Hoch、Joseph Gobin / CERN）

CMS検出器の磁石は、地球の100, 000倍の磁場を生成します。（ゴビン/ CERN）

CMS検出器のクローズアップ-ヒッグス粒子のシグネチャを検出する2つの実験のうちの1つ。（ゴビン/ CERN）

ヒッグス粒子は短すぎて直接検出できないように見えますが、CMSの物理学者は、陽子と陽子の衝突後に残された粒子のシャワーを調べることで、その存在を推測できます。（T.マッコーリー、L。テイラー/ CERN）

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物理学の年代記の有名な物語は、5歳のアルバートアインシュタインがベッドで病気になり、父親からおもちゃの羅針盤を受け取ったことを物語っています。少年は仕事中の目に見えない力に戸惑い、魅了され、安静時の姿勢が乱れるとコンパスの針が北を指すようにリダイレクトしました。アインシュタインは、その経験から後に、自然には深い隠れた秩序があると確信し、それを明らかにしようとして一生を費やすように促した。

ストーリーは1世紀以上前ですが、若いアインシュタインが直面した難問は、現代物理学の重要なテーマと共鳴します。これは、過去50年の分野で最も重要な実験的成果に不可欠なものです。、ヒッグス粒子の。

説明させてください。

科学全般、特に物理学はパターンを求めます。ばねを2倍伸ばし、抵抗を2倍に感じます。模様。質量を固定したままオブジェクトが占める体積を増やし、水に浮かぶほど高くします。模様。パターンを注意深く観察することにより、研究者は数学の方程式の言語で表現できる物理法則を明らかにします。

コンパスの場合も明確なパターンが明らかです。それを移動すると、針は再び北を指します。若いアインシュタインが、吊り下げられた金属針が北に押されることを規定する一般法がなければならないと考えていると想像できます。しかし、そのような法律は存在しません。ある領域に磁場がある場合、特定の金属物体は、その方向がどうであれ、磁場の方向に沿って整列する力を経験します。そして、地球の磁場はたまたま北を指している。

例は単純ですが、レッスンは深遠です。自然のパターンは、2つの絡み合った特徴を反映することがあります。基本的な物理法則と環境の影響です。それは自然対自然のバージョンです。コンパスの場合、2つをほぐすのは難しくありません。それを磁石で操作することにより、磁石の向きが針の方向を決定するとすぐに結論付けられます。しかし、環境の影響が広範に及ぶ他の状況が存在する可能性があり、操作する能力を超えて、その影響を認識することははるかに困難です。

物理学者は、魚が物理の法則を調査していることについてたとえ話をしますが、彼らの水の世界に慣れているため、その影響を考慮することができません。魚は植物の穏やかな揺れだけでなく、彼ら自身の移動を説明するために激しく奮闘します。彼らが最終的に見つける法律は複雑で扱いにくい。次に、1つの華麗な魚にブレークスルーがあります。複雑さは、複雑な環境で作用する単純な基本法則を反映している可能性があります。粘性のある、非圧縮性で浸透性のある流体で満たされた環境、つまり海洋です。最初は、洞察力のある魚は無視され、, 笑さえされます。しかし、ゆっくりと、他の人たちも、彼らの環境、その親しみにもかかわらず、彼らが観察するすべてに重大な影響を与えることに気付きます。

たとえ話は、私たちが考えていたよりも家に近づいていますか？環境のその他の微妙でありながら普及している機能がありますが、これまでのところ、理解に適切に組み込むことができませんでしたか？ジュネーブの大型ハドロン衝突型加速器によるヒッグス粒子の発見は、物理学者にその答えは間違いなくイエスだと確信させました。

ほぼ半世紀前、ピーター・ヒッグスと他の数人の物理学者は、基本的な物理的特徴の起源を理解しようとしていました。質量。質量は、オブジェクトの重さ、またはもう少し正確に言えば、オブジェクトの動きを変えることに対する抵抗として考えることができます。貨物列車（または羽）を押して速度を上げると、感じる抵抗はその質量を反映します。微視的なレベルでは、貨物列車の質量は、基本的な粒子、電子、およびクォークから構築されている構成分子と原子に由来しています。しかし、これらおよび他の基本的な粒子の質量はどこから来るのでしょうか？

1960年代の物理学者が量子物理学に根ざした方程式を使用してこれらの粒子の挙動をモデル化したとき、彼らはパズルに遭遇しました。粒子がすべて無質量であると想像した場合、方程式の各項は、完璧なスノーフレークの先端のように、完全に対称的なパターンにクリックしました。そして、この対称性は数学的にエレガントではありませんでした。実験データで明らかなパターンを説明しました。しかし、ここにパズルがありますが、物理学者は粒子に質量があることを知っており、この事実を説明するために方程式を修正すると、数学的調和が損なわれました。方程式は複雑で扱いにくくなり、さらに悪いことに一貫性がなくなりました。

何をすべきか？ヒッグスが提唱したアイデアは次のとおりです。粒子の質量を美しい方程式ののどに押し込まないでください。代わりに、方程式を元のままで対称的に保ちますが、それらが固有の環境内で動作することを考慮してください。すべての空間が、ヒッグス場と呼ばれる目に見えない物質で均一に満たされており、粒子が加速すると粒子に抗力がかかると想像してください。速度を上げるために基本的な粒子を押してください。ヒッグスによれば、この抗力は抵抗として感じられます。当然、抵抗は粒子の質量として解釈します。精神的な足場として、水に沈んだピンポン玉を考えてください。ピンポンボールを押すと、水面の外側よりもはるかに大きく感じます。水の多い環境との相互作用は、水を環境に与える効果があります。そのため、粒子はヒッグス場に沈んでいます。

1964年、ヒッグスは著名な物理学誌に論文を提出し、そこでこのアイデアを数学的に定式化しました。論文は却下されました。技術的なエラーが含まれていたからではなく、目に見えない何かが空間に浸透し、粒子と相互作用してその質量を提供するという前提のため、それはすべて、過剰な推測の山のように見えました。ジャーナルの編集者は、それを「物理学とは明らかに関係がない」と考えました。

しかし、ヒッグスは忍耐し（そして彼の修正された論文はその年の後半に別のジャーナルに掲載されました）、提案を研究するために時間を費やした物理学者は、彼のアイデアが天才のストロークであり、彼らがケーキを食べて食べることもできることに徐々に気付きました。ヒッグスのスキームでは、粒子の質量を提供するという汚い仕事は環境に委ねられているため、基本方程式は元の形を維持できます。

1964年にヒッグスの提案が最初に拒否されたのを目撃したことはありませんでした（まあ、私は周りにいましたが、かろうじてしかいませんでした）が、1980年代半ばまでに評価が変わったことを証明できます。物理学コミュニティは、ほとんどの場合、ヒッグス場が空間に浸透しているという考えに完全に賛成していました。実際、大学院のコースでは、粒子物理学の標準モデル（量子方程式物理学者が物質の粒子とそれらが互いに影響を与える支配的な力を記述するために組み立てた）として知られているものを取り上げ、教授はヒッグスを発表しました長い間、私はまだ実験的に確立されていなかったことを知らなかったほどの確実性を持つ分野。時折、それは物理学で起こります。数学の方程式は、時にはそのような説得力のある物語を伝えることができ、現実を非常に強く放射しているように見えるため、それらを確認するデータが存在する前であっても、物理学者の俗語に定着します。

しかし、現実へのリンクを偽造できるのはデータのみです。ヒッグスフィールドをどのようにテストできますか？これがラージハドロンコライダー（LHC）の出番です。スイスのジュネーブの下を何百ヤードも曲がり、フランスの国境を越えて戻ってきたLHCは、長さ約17マイルの円形のトンネルで、物質の粒子を粉砕します。 LHCは約9, 000個の超伝導磁石に囲まれており、トンネルの周りを両方向に循環する陽子の大群が流れており、磁石は光の速さを少しだけ加速します。そのような速度では、陽子はトンネルの周りを毎秒約11, 000回鞭打ち、磁石によって方向付けられると、瞬きの間に何百万もの衝突を起こします。衝突により、花火のような粒子のスプレーが生成され、マンモス検出器がそれをキャプチャして記録します。

LHCの主な動機の1つは、費用が100億ドルで、数十カ国の数千人の科学者が関与しているため、ヒッグスフィールドの証拠を検索することでした。数学は、アイデアが正しければ、実際にヒッグスフィールドの海に浸っていれば、衝突する2隻の潜水艦が周囲の水を揺らすように、激しい粒子衝突がフィールドを揺らすことができるはずであることを示しました。そして、頻繁に、ジグリングは、フィールドの斑点-ヒッグス海の小さな液滴-を探してちょうど良いはずです。

計算はまた、ヒッグス粒子が不安定で、ほんの一瞬で他の粒子に崩壊することを示しました。粒子の衝突と粒子状の破片のうねる雲の渦の中では、強力なコンピューターで武装した科学者がヒッグスの指紋、方程式によって決定される崩壊生成物のパターンを検索します。

2012年7月4日の早朝、私はアスペンセンターフォーフィジックスの会議室に他の約20人のスターウォートと共に集まり、ジュネーブのラージハドロンコライダー施設での記者会見のライブストリームを視聴しました。約6か月前、LHCデータの収集と分析を担当する2つの独立した研究チームが、ヒッグス粒子が見つかったという強力な兆候を発表していました。現在、物理学コミュニティを飛び回っているという噂は、チームが最終的な主張を賭けるのに十分な証拠をついに得たというものでした。ピーター・ヒッグス自身がジュネーブに旅行するように頼まれたという事実と相まって、発表をライブで聞くために午前3時を過ぎて起きている十分な動機がありました。

そして、世界がすぐに学習するようになると、ヒッグス粒子が検出されたという証拠は、発見のしきい値を超えるほど十分に強力でした。ヒッグス粒子が公式に発見されたので、ジュネーブの聴衆は、アスペンの私たちの小さなグループがそうであったように、世界中で数十の同様の集まりがあったように、野生の拍手に出た。ピーター・ヒッグスは涙を拭き取りました。

1年後知恵と、ヒッグスの主張を強くするのに役立つだけの追加データを使って、発見の最も重要な意味を要約します。

まず、私たちは宇宙に目に見えない住民がいることを長い間知っていました。ラジオとテレビの波。地球の磁場。重力場。しかし、これらのいずれも永続的ではありません。変わらないものはありません。宇宙全体に均一に存在するものはありません。この点で、ヒッグス場は根本的に異なります。地球上では、土星の近く、オリオン星雲、アンドロメダ銀河全体、その他すべてでその価値は同じであると考えています。私たちが知る限り、ヒッグス場は空間ファブリックに消えないように刻印されています。

第二に、ヒッグス粒子は物質の新しい形を表しており、これは数十年にわたって広く予想されていたが、見られたことはなかった。 20世紀初頭、物理学者は、粒子には、その質量と電荷に加えて、3番目の明確な特徴、つまりスピンがあることに気付きました。しかし、子供のトップとは異なり、パーティクルのスピンは変化しない固有の機能です。時間の経過に伴って速度が向上または低下することはありません。電子とクォークのスピン値はすべて同じですが、光子のスピン（光の粒子）は電子とクォークのスピンの2倍です。ヒッグス粒子を記述する方程式は、他の基本的な粒子種とは異なり、スピンをまったく持たないことを示しました。大型ハドロン衝突型加速器のデータにより、これが確認されました。

物質の新しい形の存在を確立することはまれな成果ですが、結果は別の分野で共鳴します：宇宙論、宇宙全体がどのように私たちが今見ている形に始まって発展したかに関する科学的研究。長年にわたり、ビッグバン理論を研究している宇宙学者は地に陥っていました。彼らは、宇宙が開始後一瞬からどのように進化したかについての強固な説明をつなぎ合わせましたが、そもそも宇宙が膨張し始めた理由についての洞察を与えることができませんでした。どのような力がこのような強力な外向きのプッシュを発揮できたでしょうか？ビッグバン理論は、その成功をすべて裏付けるものではありませんでした。

1980年代に、大きなヒッグスの鐘を鳴らす可能性のある解決策が発見されました。粒子の構成要素がスピンレスの場で空間の領域が均一に満たされている場合、アインシュタインの重力理論（一般相対性理論）は、強力な反発力が発生する可能性があることを明らかにします。計算により、この考えをヒッグス場自体で実現することは困難であることが示されました。粒子の質量を提供し、衝撃を与えるという二重の義務は、かなりの負担になることを証明しています。しかし、洞察力のある科学者は、2番目の「ヒッグスのような」場（同じ消失スピンを持ち、質量と相互作用が異なる）を配置することで、負荷を分割できることを認識しました。強打の説得力のある説明。このため、30年以上にわたり、理論物理学者は、そのようなヒッグスのような場が不可欠な役割を果たす宇宙論を精力的に探求してきました。これらのアイデアを発展させた何千ものジャーナル記事が書かれており、これらの理論が私たちの宇宙を正確に記述しているという間接的な証拠を求め、発見する深宇宙観測に数十億ドルが費やされました。したがって、少なくとも1つのそのようなフィールドが実際に存在するというLHCの確認は、はるかに強固な基盤に宇宙論の世代を置きます。

最後に、おそらく最も重要なことは、ヒッグス粒子の発見は、宇宙の仕組みを明らかにする数学の力の驚くべき勝利です。これは物理学で何度も繰り返されている物語ですが、新しい例はそれぞれ同じように興奮しています。ブラックホールの可能性は、ドイツの物理学者Karl Schwarzchildの数学的分析から明らかになりました。その後の観察により、ブラックホールが現実のものであることが証明されました。ビッグバン宇宙論は、アレクサンダー・フリードマンとジョルジュ・ルメイトルの数学的分析から生まれました。その後の観察により、この洞察が正しいことも証明されました。反物質の概念は、量子物理学者ポール・ディラックの数学的分析から最初に現れました。その後の実験では、この考え方も正しいことが示されました。これらの例は、偉大な数理物理学者ユージン・ウィグナーが「物理宇宙の記述における数学の不合理な有効性」について語ったときの意味を感じさせます。ヒッグス場は、粒子に質量を与えるメカニズムを求める数学的研究から生まれました。そして再び、数学は飛ぶ色で実現しました。

私は理論物理学者として、アインシュタインが「統一理論」と呼んでいるものを見つけることに専念している多くの人の一人です。 —ヒッグスの発見は特に喜ばしいことです。私たちの仕事は数学によって推進されており、これまでのところ実験データとの接触はありません。新しいデータが私たちの理論が正しい方向に向かっている証拠を提供するという戦いの可能性があるので、アップグレードされたより強力なLHCが再びオンになる2015年を切望しています。主なマイルストーンには、方程式が予測するこれまで見えなかった粒子（「超対称」粒子と呼ばれる）のクラスの発見、または私たちが経験する3つを超える空間次元の大きな可能性のヒントが含まれます。さらにエキサイティングなのは、まったく予想もしなかった何かを発見し、私たち全員を黒板に駆り立てることです。

私たちの多くは、これらの数学的山を30年間、さらにはもっと長い間拡大しようと試みてきました。時には、統一理論は私たちの指先をはるかに超えていると感じていましたが、他の時には真っ暗闇の中で模索しています。ヒッグスの確認を目撃し、LHC検出器のポップとクラックルとして実現された40年前の数学的洞察を目撃することは、私たちの世代にとって大きな後押しです。ノーベル賞受賞者のスティーブン・ワインバーグの言葉を心に留めることを思い出させてくれます。「私たちの間違いは、私たちの理論をあまりにも真剣に受け止めているということではありません。これらの数字と方程式は、現実の暗いコーナーを照らす不気味でほとんど不気味な能力を持っている場合があります。彼らがそうするとき、私たちは宇宙での私たちの場所を把握することにずっと近づきます。