1964年 PRL対称性破れ論文

1964年のPRL対称性の破れの論文は、局所ゲージ理論で質量がどのように発生するかを説明するために、関連しているが異なるアプローチを提案した 3 つのチームによって書かれました。これらの 3 つの論文は、ロバート・ブラウトとフランソワ・エングレール、^{[1] [2] 、} ピーター・ヒッグス、^[3]、ジェラルド・グラルニク、C・リチャード・ハーゲン、トム・キブル(GHK) によって書かれました。^{[4] [5]彼らは、}ヒッグス機構の理論と、ヒッグス場およびヒッグス粒子の予測で知られています。これらを合わせると、ゴールドストーンの定理(初期の近代素粒子物理学の理論に影響を与えた問題のある制限) を回避できる理論的手段が提供されます。彼らは、宇宙のゲージ不変モデル内での自発的な対称性の破れの結果として、ゲージ粒子が非ゼロの質量を獲得する方法を示しました。^[6]

そのため、これらは、素粒子物理学の標準モデルの一部を形成する電弱理論、およびそれを超える大統一理論などの多くのモデルの重要な要素を形成します。このメカニズムを紹介する論文は、 Physical Review Letters ( PRL )に掲載され、それぞれがPRLの50周年記念式典でマイルストーン論文として認められました。 ^{[7] 6人の物理学者全員が、この研究により2010年の}JJ Sakurai Prize for Theoretical Particle Physicsを受賞しました。^{[8] Brout、Englert、Higgsは2004年の}Wolf Prize in Physicsを 受賞しました。^[9]そして2013年にEnglertとHiggsはノーベル物理学賞を受賞しました。^[10]

2012年7月4日、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（ATLASとCMS）の2つの主要実験は、質量約1.5gのこれまで知られていなかった粒子の存在を独立して確認した。125  GeV/ c ^{2 （約133陽子質量、10 −25} kgのオーダー ）であり、「ヒッグス粒子と一致する」ため、ヒッグス粒子であると広く信じられている。^[11]

素粒子のゲージ理論は、物理学の大統一理論を構築するための非常に魅力的な潜在的な枠組みです。このような理論は、潜在的に繰り込み可能であるという非常に望ましい特性を持っています。つまり、遭遇する計算上の無限大はすべて、理論のいくつかのパラメータに一貫して吸収できるということです。しかし、ゲージ場に質量を与えるとすぐに繰り込み可能性が失われ、理論は役に立たなくなります。自発的な対称性の破れは、ベクトルゲージ粒子に質量を与えるために使用できる有望なメカニズムです。ただし、遭遇する重大な困難は、ゴールドストーンの定理です。これは、自発的に破れた対称性を持つ量子場の理論では、ゼロ質量粒子が発生する必要があると述べています。そこで、対称性を破り、同時に不要なゼロ質量粒子を導入しない方法という問題が生じます。このジレンマを解決するには、ゲージ理論の場合、いわゆる放射ゲージで作業することでゴールドストーンの定理を回避できるという観察が必要です。これは、ゴールドストーンの定理の証明には、放射ゲージが備えていない特性である、 明示的なローレンツ共変性が必要であるためです。

Wikinews には次のニュースが掲載されています:

• 1964年のヒッグス粒子理論の研究により2010年桜井賞を受賞
• ヒッグス粒子研究のノーベル賞候補に異論

素粒子物理学者は、力の運搬体として知られる交換粒子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案され、それらがどのように互いに関連しているかを示唆する理論もいくつかは、研究対象が粒子と力ではなく量子場とその対称性である場の理論としてすでに再定式化されていた。^[要出典]しかし、電磁力や弱い核力などの既知の基本的な力を統一する試みは不完全であることがわかっていた。知られている欠落の1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）などの非可換モデルを含むゲージ不変アプローチも、既知の質量のある粒子を質量なしと予測しているようだったということである。^[12]ゴールドストーンの定理は、いくつかの理論における連続対称性に関するもので、多くの明白な解決策を排除するものとも思われた。 ^[13 ] なぜなら、この定理は「単に見えない」ゼロ質量粒子も存在しなければならないことを示しているように思われたからである。^[14]ジェラルド・グラルニックによると、物理学者は1964年当時、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」という。^[14] 2014年、グラルニックとカール・ハーゲンは、50年経った今でも物理学者とノーベル委員会はゴールドストーン粒子の役割について誤解していることが多いと主張する論文を書いた。 ^[15]この論文は、Modern Physics Letters Aに掲載され、グラルニックの最後の論文となった。^[16]

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、大きな問題が 1 つありました。摂動論では、質量のない粒子が、私たちが目にするものに対応しないのです。この問題を取り除く方法の 1 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、質量のない「グルーオン」状態が長距離で除去されます。1960 年代の初めまでに、人々は質量のない粒子の別の発生源を理解し始めました。それは、連続対称性の自発的対称性の破れです。フィリップ アンダーソンが1962 年の夏に認識し、解明したのは、ゲージ対称性と自発的対称性の破れの両方がある場合、ナンブ ゴールドストーンの質量のないモードが質量のないゲージ場モードと組み合わさって、物理的な質量のあるベクトル場を生成できることでした。これは、アンダーソンが (そして今も) 第一人者の 1 人であった超伝導で起こることです。」 [本文要約] ^[12]

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静止質量 を獲得できるプロセスであり、自発的な対称性の破れの副産物である。^{[6] [17]}自発的な対称性の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分野で最初に考案され発表された。 ^[18]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、1962年にフィリップ・アンダーソンによって最初に示唆された。^{[19] : 4–5  [20]}そして、アブラハム・クラインとベンジャミン・リーは、1964年3月に、少なくともいくつかの非相対論的なケースではゴールドストーンの定理がこの方法で回避できることを示し、真に相対論的なケースでも可能かもしれないと推測した。^[21]

これらのアプローチは、1964年8月にフランソワ・アングレールとロバート・ブロートによって、ほぼ同時に、3つの物理学者のグループによって独立して、完全な相対論的モデルへと急速に発展しました。 ^{[1] 1964年10月に}ピーター・ヒッグスによって、^[3] 1964年11月にジェラルド・グラルニク、カール・ハーゲン、トム・キブル（GHK）によって^{[4]発展しました。ヒッグスはまた、1964年9月に出版された}ウォルター・ギルバートの反論に対する回答を書き、^{[6] [22]}放射ゲージ内で計算する場合、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を示しました。^{[注 1]}（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た。^[23]）このモデルの特性は、1965年にグラルニク、^[24] 1966年にヒッグス、^[25] 1967年にキブル、^[26]さらに1967年にGHKによって検討された。 ^[27] 1964年のオリジナルの3つの論文は、ゲージ理論が、対称性を自発的に破る追加の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できることを示した。^{[6] [17] [28]} 1967年、スティーブン・ワインバーグ^[29]とアブドゥス・サラム^[30]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^{[31] （それ自体が}ジュリアン・シュウィンガーの研究の延長である）の電弱対称性を破ることができることを示しました。これは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観察しました。^{[32] [注2]} 

しかし、ゲージ対称性の自発的破れに関する重要な論文は当初ほとんど無視された。なぜなら、問題の（非アーベルゲージ）理論は行き止まりであり、特にそれらを繰り込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1972年にかけて、Martinus J、G、Veltman、Gerard 't Hooftは、質量のない、そして後に質量のある場を扱う2つの論文で、ヤン＝ミルズの再繰り込みが可能であることを証明した。^[32]彼らの貢献、および繰り込み群に関する他の人々の研究は、最終的に「非常に深遠で影響力のあるもの」となったが、^[33]最終的な理論のすべての重要な要素が出版されたにもかかわらず、まだほとんど関心は広まらなかった。例えば、シドニー・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^[34]。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^[35]。また、デイヴィッド・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に関する講義には、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。^[33]実際には、ポリッツァーによれば、ほぼすべての人がこの理論を知ったのは、物理学者ベンジャミン・リーのおかげである。リーは、フェルトマンとトホーフトの研究を他の研究者の洞察と組み合わせ、完成した理論を普及させた。^[33]このようにして、1971年以降、関心と受容が「爆発的に」高まり ^[33]、そのアイデアは急速に主流に吸収された。^{[32] [33]}

電磁気学のコースを受講した学生のほとんどは、クーロンポテンシャルに出会ったことがあるでしょう。これは基本的に、2 つの荷電粒子が、その距離の 2 乗に反比例する力によって互いに引き合ったり反発したりするというものです。これは静止している粒子についてはかなり明確ですが、どちらか一方が任意の軌道をたどっている場合、粒子の瞬間的な位置を使用して力を計算するか、いわゆる遅延位置を使用して力を計算するかという疑問が生じます。後者は、情報が瞬時に伝播することはなく、むしろ光速で伝播することを認識しています。しかし、放射ゲージは、粒子の瞬間的な位置を使用するが、力の方程式に補償項があるため因果関係に違反しないと述べています。対照的に、ローレンツ ゲージは、計算のすべての段階で明白な共変性(したがって因果関係) を課します。観測可能な量の予測は 2 つのゲージで同一ですが、量子場理論の放射ゲージ定式化はゴールドストーンの定理を回避します。^[27]

1964年に書かれた3本の論文は、フィジカル・レビュー・レターズ創刊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。^[28] 6人の著者は、この研究により2010年のJJサクライ理論素粒子物理学賞も受賞した。 ^[36]（同年、ノーベル賞の場合、受賞できるのは3人までで、論文の功績は6人だったため、論争も起こった。^[37]）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。^{[3] [4]}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、崩壊によってメカニズムを証明できる。^[要出典]

これらの論文はそれぞれが独特で、ゲージ粒子で質量がどのように発生するかを示すための異なるアプローチを示しています。時間の経過と粒子物理学コミュニティによる最終結果の受け入れにより、これらの論文の違いは長年にわたって広く理解されなくなりました。引用指標の調査は興味深いものです。1964 年にPhysical Review Lettersに掲載されてから 40 年以上経った今でも、これらの論文の間には目立った好みのパターンはほとんどなく、この分野の研究者の大多数が 3 つの画期的な論文すべてに言及しています。^{[引用が必要]}

ヒッグスの論文では、ボソンは質量を持っており、結論の文章でヒッグスは、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。^[3]（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いなかったとコメントしている。ヒッグスだけがそれを直接取り上げた。^{[38] ：154、166、175}）。GHKの論文では、ボソンは質量がなく、質量のある状態から切り離されている。^[4] 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、高次の近似では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して、一般的なヒッグス機構の完全な分析を行った唯一の論文であると付け加えている。^{[14] [5] [15]} 3つは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、エングラーとブロートの論文は、対称性が破れた真空状態を前提とした摂動論で真空偏極を計算し、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が明示的に失敗する方法を詳細に調査しました。^[6]

ヒッグス機構は、ベクトル粒子が質量を獲得する仕組みを説明するだけでなく、W粒子とZ粒子の質量比、およびそれらの相互結合、および標準モデルのクォークやレプトンとの結合も予測します。^{[要出典]その後、これらの予測の多くは、}大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）とスタンフォードリニアコライダー（SLC）衝突型加速器で行われた精密測定によって検証され、ある種のヒッグス機構が自然界で実際に起こっていることが圧倒的に確認されましたが、^[39]それが起こる正確な方法はまだ発見されていません。^[要出典]ヒッグス粒子の探索の結果は、これが自然界でどのように実現されているかについての証拠を提供することが期待されています。^[要出典]

結果として得られた電弱理論と標準モデルは、（他の発見の中でも）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、そしてこれらのうちいくつかの質量やその他の特性を非常に正確に予測しました。 ^{[注 3]}関係者の多くは最終的にノーベル賞やその他の著名な賞を受賞しました。1974年にReviews of Modern Physicsに掲載された論文では、「これらの議論の[数学的な]正しさを疑う人は誰もいなかったが、自然が悪魔のように賢く、それらを利用するとは誰も信じていなかった」とコメントされています。^[40] 1986年までに、そして1990年代には、標準モデル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の中心的な問題」であると書くことが可能になりました。  ^{[41] [42]}