ヒッグス粒子

ヒッグス粒子

LHCにおける陽子同士の衝突によるヒッグス粒子の候補事象。CMS 実験における上部の事象は、 2 つの光子への崩壊(黄色の破線と緑の塔) を示しています。ATLAS 実験における下部の事象は、 4 つのミューオンへの崩壊 (赤い軌跡) を示しています。 [ a]
構成	素粒子
統計	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（1,000分の1）の有意性で測定） [3] [4]
崩壊して	ボトム-反ボトムペア（観測）[5] [6] 2つのWボソン（観測） 2つのグルーオン（予測） タウ-反タウ対（観測） 2つのZボソン（観測） 2つの光子（観測） 2つのレプトンと1つの光子（仮想光子によるダリッツ崩壊）（暫定的にシグマ3.2（1,000分の1）の有意性で観測）[4] ミューオン-反ミューオン対（予測） その他のさまざまな崩壊（予測）
電荷	0 電子
カラーチャージ	0
スピン	0  ħ [7] [8]
弱いアイソスピン	− ⁠1/2⁠
弱い超電荷	+1
パリティ	+1 [7] [8]

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]}の量子励起によって生成される。ヒッグス場は、素粒子物理学の理論における場の1つである。 ^[12]標準モデルでは、ヒッグス粒子は、スピンがゼロで、パリティが偶数（正）で、電荷がなく、質量と結合（相互作用）する色荷を持たない、質量のあるスカラー粒子である。 ^[13]また、非常に不安定で、生成されるとすぐに他の粒子に 崩壊する。

ヒッグス場は、2つの中性成分と2つの電荷成分を持つスカラー場であり、 SU(2) の弱アイソスピン対称性の複雑な二重項を形成する。その「ソンブレロポテンシャル」により、ヒッグス場はどこでもゼロ以外の値を取るようになり(空の空間を含む)、電弱相互作用の弱アイソスピン対称性が破れ、ヒッグス機構を介して、ヒッグス粒子自体を含む標準モデルの質量を持つすべての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モデルの最後の未検証部分となり、数十年間「素粒子物理学の中心的な問題」と考えられていた。^{[14] [15]}

この場とボソンは両方と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年に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ないはずですが、一部の粒子がより低いエネルギーで質量を獲得する方法を完全に説明することは極めて困難でした。これらのアイデアが正しければ、スカラーボソンと呼ばれる粒子も存在するはずです（特定の特性を持つ）。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であるかどうかをテストするために使用できます。

40年に及ぶ探索の後、2012年にスイスのジュネーブ近郊にある欧州原子核研究機構（ CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験とCMS実験により、予想通りの特性を持つ素粒子が発見された。その後、この新粒子はヒッグス粒子の予想通りの特性を持つことが確認された。3チームのうち2チームに所属する物理学者、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年にノーベル物理学賞を受賞した。ヒッグスの名前はこの理論と結び付けられるようになったが、1960年から1972年頃には数人の研究者が独立してこの理論の異なる部分を展開していた。

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・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。^{[16]この名前は、}ピーター・ヒッグス^[19]を含む物理学者^{[17] [18]}から批判されてきた。

物理学者は、宇宙の基本的な粒子と力を標準モデルの観点から説明します。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、重力以外の既知の粒子と力のほとんどすべてを非常に正確に予測します。（重力については、別の理論である一般相対性理論が使用されます。）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。^{[20] [21]}

「物理学は対称性の研究であると言うのは、少し誇張しているに過ぎない」 -フィリップ・アンダーソン、ノーベル物理学賞^[22]

ゲージ不変理論は、ある項目の値に何らかの変化があっても、結果や測定結果に何ら影響を及ぼさないという便利な特徴を持つ理論です。たとえば、電磁石の電圧を+100 ボルト変化させても、電磁石が生成する磁場に変化は生じません。同様に、真空中での光速の測定は、時間と空間の場所や局所的な重力場が何であっても、同じ結果をもたらすようです。

こうした種類の理論では、ゲージは値を変更できる項目です。何らかの変更を行っても測定結果が変わらないということは、それがゲージ不変理論であることを意味し、対称性は測定値が変化しない効果を持つゲージへの特定の種類の変更です。この種の対称性は、私たちの物理世界の基本的な力と粒子を深く理解するための強力なツールです。したがって、ゲージ不変性は素粒子物理学の理論における重要な特性です。ゲージ不変性は保存則と密接に関連しており、群論を使用して数学的に記述されます。量子場の理論と標準モデルはどちらもゲージ不変理論です。つまり、どちらも私たちの宇宙の特性に焦点を当て、ゲージ不変性と関連する対称性の特性を示しています。

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いに役立ってきたが、1960年頃までに、弱い力（および電磁力との組み合わせ、まとめて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つの力の対称性要件により、弱い力のゲージ粒子（WおよびZ）が「ゼロ質量」を持つと誤って予測されたことであった（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およびZゲージ粒子はゼロではない（静止）質量を持つことが示された。^[23]

さらに、多くの有望な解決策は、ゴールドストーン粒子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た。しかし、証拠は、これらも存在しないことを示唆していた。これは、ゲージ不変性が誤ったアプローチであるか、または未知の何かが弱い力のWおよびZ粒子に質量を与え、ゴールドストーン粒子を生成しない方法でそれを行っていることを意味していた。1950年代後半から1960年代前半までに、物理学者はこれらの問題を解決する方法、または粒子物理学の包括的な理論を作成する方法について途方に暮れていた。

1950年代後半、南部陽一郎は、対称系が非対称になる自発的な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、以前は測定結果に影響を与えなかっ た変数（元々は「対称」）が、今では測定結果に影響を及ぼす（「破れて」おり、もはや対称ではない）場合である。1962年、凝縮系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、対称性の破れから生じるゴールドストーン粒子は、状況によっては、 質量のないW粒子とZ粒子に「吸収」される可能性があると示唆した。 ^[e]もしそうなら、ゴールドストーン粒子は存在せず、W粒子とZ粒子は質量を獲得し、両方の問題を同時に解決できる可能性がある。同様の動作は、超伝導においてすでに理論化されていた。^[24] 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）ケースでは、これが理論的に可能であることを示した。^[25]

1963年^[26]と1964年初頭^[25]の論文に続いて、3つの研究者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年の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同様の結論に達し、限られたケースだけでなくすべてのケースで同じ結論に達した。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」、実際にゴールドストーン粒子は存在せず、既存の粒子のいくつかは質量を獲得することを示した。

これが起こるために必要な場（当時は完全に仮説的なものであった）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、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。必要な場の主な特徴は、他のすべての既知の場と異なり、場がゼロ以外の値を持つのに必要なエネルギーはゼロの値を持つのに必要なエネルギーより少ないということであり、したがってヒッグス場はどこでもゼロ以外の値（または真空期待値）を持つことになる。このゼロ以外の値は、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る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年までに包括的な理論へと発展し、当時知られていた粒子を正確に記述する「理にかなった」結果をもたらす能力があることが証明され、その後数年間に発見された他のいくつかの粒子を並外れた正確さで予測した。^{[f] 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。

対称性の破れを可能にするために、標準モデルには、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法則を破り、ヒッグス機構をトリガーすると仮定されました。したがって、この場により、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ゲージボソンが質量を持つことになります。^[g]弱い力ボソンが質量を獲得すると、自由に移動できる距離に影響し、非常に小さくなり、これも実験結果と一致します。^{[h]さらに、後に、同じ場が、物質の他の基本的な構成要素（}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。

ヒッグス場が存在するという直接的な証拠はまだなかったが、直接的な証明がなくても、そ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、ヒッグス場が存在するかどうか、したがって標準モデル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の問題の1つと見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モデルの最後の未検証部分となり、数十年間「素粒子物理学の中心的な問題」と見なされた。^{[14] [15]}

数十年にわたり、当時はヒッグス場の検出に必要な技術が存在しなかったため、科学者はヒッグス場が存在するかどうか判断することができませんでした。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が、これらの重要なアイデア、あるいは標準モデル全体が何らかの理由で間違っている可能性もありました。^[i]

仮説ヒッグス理論はいくつかの重要な予測を立てた。^{[f] [28] : 22}重要な予測の1つは、「ヒッグス粒子」と呼ばれる一致する粒子も存在するはずであるということである。ヒッグス粒子の存在を証明すれば、ヒッグス場が存在するかどうかが証明され、したがって最終的に標準モデルの説明が正しいかどうかが証明される。したがって、ヒッグス場自体が存在することを証明する方法として、ヒッグス粒子の広範な探索が行われた。 ^{[11] [12]}

ヒッグス場はどこにでも存在するが、その存在を証明するのは容易ではない。原理的には、ヒッグス場の励起を検出することで存在を証明できる。励起はヒッグス粒子（ヒッグス粒子）として現れるが、ヒッグス粒子は生成するのにエネルギーが必要であり、エネルギーが十分であっても生成されることは非常にまれであるため、生成と検出は極めて困難である。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～ 2010年頃）を要した。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[ ^29]の建設につながった。

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、物理学者はそれがヒッグス粒子ではないかと疑った。^{[30] [j] [31] [32]}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た多くの方法で振る舞い、相互作用し、崩壊することが示されており、さらに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つの基本的な属性も持っている。これはまた、この粒子が自然界で発見された最初の基本的なスカラー粒子であることを意味する。^[33]

2013年3月までにヒッグス粒子の存在が確認され、したがって、宇宙全体にわたる何らかのタイプのヒッグス場の概念が強く支持されました。^{[30] [32] [7]}実験的調査によって現在確認されているこの場の存在は、対称性が相互作用を制御しているにもかかわらず、一部の基本粒子が（静止）質量を持っている理由を説明し、それらが「質量がない」はずであることを示唆しています。また、弱い力の粒子が移動する距離が非常に短い理由、したがって弱い力の範囲が非常に短い理由など、他のいくつかの長年の謎も解決します。 2018年現在、詳細な研究により、粒子は標準モデルのヒッグス粒子の予測に沿って動作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っているのか、またはいくつか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い精度で検証するには、さらなる研究が必要です。^[34]

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現在さらに調査されています。^[35]

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の破れの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。

媒体中を移動するマクロ物体の抵抗に基づく他の類推（群衆の中を移動する人々、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。

標準モデルでは、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なければならない。その質量は次のように決定されている。125.35 ± 0.15 GeV/ c ² CMS (2022) ^[36]およびATLAS（2023）による推定では125.11 ± 0.11 GeV/ c ^2である。これは非常に高いエネルギーでも質量が残る唯一の粒子である。スピンはゼロ、パリティは偶数（正）、電荷はゼロ、色荷はゼロで、質量と結合（相互作用）する。^[13]また非常に不安定で、いくつかの可能な経路を経てほぼ即座に他の粒子に 崩壊する。

ヒッグス場はスカラー場であり、2つの中性成分と2つの電荷成分から成り、弱いアイソスピンSU(2)対称性の複雑な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、約ビッグバンの最初のピコ秒（10 ⁻¹²秒）に見られるような159.5 ± 1.5  GeV ^{[37]では、}基底状態のヒッグス場は、真空の期待値（値）がゼロ以外の値になるのに必要なエネルギーは、ゼロの場合よりも少ない。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）ゼロ以外の値になる。このゼロ以外の値は、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る。（技術的には、ゼロ以外の期待値は、ラグランジアンの湯川結合項を質量項に変換する。）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」）によって「吸収」され、弱い力の今や質量を持つWおよびZボソンの縦方向成分になる。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）、これらにも質量が加わる可能性がある。 ^[38]

ヒッグス場とその特性の証拠は、多くの理由から極めて重要です。ヒッグス粒子の重要性は、主に、ヒッグス場理論全体を確認および研究する方法として、既存の知識と実験技術を使用して調べることができることです。^{[11] [12]}逆に、ヒッグス場と粒子が存在しないことを証明することも重要だったでしょう。

ヒッグス粒子は質量生成のメカニズムを通じて標準モデルの正当性を立証します。その特性のより正確な測定が行われるにつれて、より高度な拡張が提案されたり、除外されたりする可能性があります。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、この基本的な場はよりよく理解される可能性があります。ヒッグス場が発見されていなかったら、標準モデルは修正されるか、置き換えられる必要があったでしょう。

これに関連して、物理学者の間では、標準モデルを超える「新しい」物理学が存在する可能性があり、標準モデルはある時点で拡張されるか置き換えられるだろうという信念が一般的に存在しています。ヒッグスの発見、および LHC で発生する多数の測定された衝突は、物理学者に、標準モデルが破綻していると思われる証拠をデータから探すための高感度ツールを提供し、研究者を将来の理論的発展に導く重要な証拠を提供する可能性があります。

極めて高い温度以下では、電弱対称性の破れにより、電弱相互作用が部分的に短距離の弱い力として現れ、これは質量のあるゲージボソンによって運ばれます。宇宙の歴史において、電弱対称性の破れはビッグバンの約1ピコ秒（10 ⁻¹²秒）後に起こったと考えられており、宇宙の温度は159.5 ± 1.5  GeV/ k _B。^[39]この対称性の破れは、原子やその他の構造の形成、および太陽などの恒星の核反応に必要です。ヒッグス場がこの対称性の破れの原因です。

ヒッグス場は、クォークと荷電レプトンの質量（湯川結合による）と、W ゲージボソンと Z ゲージボソン（ヒッグス機構による）の生成に極めて重要な役割を果たします。

ヒッグス場は何も無いところから質量を「作り出す」ことはなく（そうするとエネルギー保存の法則に違反する）、またヒッグス場がすべての粒子の質量の原因でもありません。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によるもので、これはクォークの運動エネルギーと重粒子内部の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合計です。 ^[40]ヒッグスに基づく理論では、「質量」という特性は、その質量をエネルギーの形で含んでいたヒッグス場と基本粒子が相互作用（「結合」）するときに基本粒子に伝達される位置エネルギーの現れです。^[41]

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。^{[k]ヒッグス粒子が発見された当時のCERNの所長}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、ヒッグスが他の粒子の質量を決定する役割と同じくらい重要である。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。^{[42] [43]}

ヒッグス場とインフラトンとの関連については、かなりの科学的研究が行われてきた 。インフラトンとは、宇宙が誕生して最初の数分の1秒間（「インフレーション期」として知られる）の空間膨張を説明するものとして提案された仮説上の場である。いくつかの理論は、基本的なスカラー場がこの現象の原因であるかもしれないと示唆している。ヒッグス場はそのような場であり、その存在は、ビッグバン中の宇宙のこ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。そのような理論は非常に暫定的で、ユニタリー性に関連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、またはその他の「新しい」物理学などの追加機能と組み合わせれば実行可能になる可能性があり、ヒッグス・インフレーション・モデルが理論的にはまだ興味深いものであることを示唆する扱いを受けている。

標準モデルでは、宇宙の根底にある状態、いわゆる「真空」は長寿命だが、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に崩壊することで事実上破壊される可能性がある。^{[45] [46] [47] [48] [49]}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。^{[l]ヒッグス粒子と}トップクォークの質量がより正確にわかり、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粒子物理学の正確な説明を提供する場合、真空が安定しているのか、単に長寿命なのかを計算することができる。^{[52] [53] [54]}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。 ^[44]新しい物理学はこの図を変える可能性がある。^[55]

もしヒッグス粒子の測定結果から、我々の宇宙がこのような偽の真空の中にあることが示唆されるなら、それは、おそらく数十億年後に^{[56] [m]}  、真の真空が核形成すれば、我々が知っている宇宙の力、粒子、構造は存在しなくなり、別のものに置き換わる可能性があることを_意味する。^{[56] [n]}また、ヒッグスの自己結合 λとそのβλ関数はプランクスケールでゼロに非常に近くなる可能性があり、重力理論やヒッグスに基づくインフレーションなど、「興味深い」意味合いを持つ。^{[44] : 218  [58] [59]}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。^[44]

より推測的に、ヒッグス場は真空のエネルギーであるとも提案されており、ビッグバンの最初の瞬間の極限エネルギーでは、宇宙は一種の特徴のない対称性を持ち、区別のない極めて高いエネルギーを持つ状態になった。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して（またはヒッグス場をモデルとして）特定され、ヒッグス場または類似の場の相転移における連続的な対称性の破れを通じて、現在知られている宇宙の力と場が生じる。^[60]

ヒッグス場と現在観測されている宇宙の真空エネルギー密度との関係（もしあるとすれば）も科学的に研究されています。観測されているように、現在の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、その他の現在の理論から予測されるエネルギー密度は、通常、桁違いに大きいです。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、物理学において 未解決の大きな問題のままです。

素粒子物理学者は、力の運搬体 として働く交換粒子（ゲージボソン）によって相互作用が媒介される基本粒子でできた物質を研究する。1960年代初頭には、これらの粒子がいくつか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提唱されていたが、そのうちのいくつかは、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すでに再定式化されていた。^{[61] ：150}しかし、4つの既知の基本的な力のうち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）などの非可換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なしと予測するように見えることだった。 ^{[24]一部の理論内の}連続対称性に関するゴールドストーンの定理も、多くの明白な解決策を排除するように見えた。^{[62]これは、}ゴールドストーン粒子として知られる質量ゼロの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見えたが、それは単に「見えない」だけだった。^[63]グラルニクによると、物理学者はこれらの問題をどうやって克服できるか「全く理解していなかった」。^[63]

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で実現されている閉じ込め現象で、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 年代のかなり初期には、質量のない粒子の別の発生源が理解され始めていました。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、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 ボソンを生成] が質量のないゲージ フィールド モード [質量のないゲージ ボソンを生成] と組み合わさって、物理的な質量のあるベクトル フィールド [質量を持つゲージ ボソン] を生成できることでした。これは超伝導で起こることであり、アンダーソンは超伝導の第一人者の一人であった（そして今もそうである）。^[24] [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、自発的な対称性の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。^{[64] [65]}当初、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範囲内で考案され発表されました^[66]（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^[67]）、そ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。^[68]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。^{[69] [26]}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ケースではゴールドストーンの定理をこのように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。^[25]

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・ブロートが、^[70] 1964年10月にはピーター・ヒッグスが、^{[71] 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）がそれぞれ提唱した^{。[72]ヒッグスはまた、1964年9月に発表された}ギルバートの反論に対する短いが重要な応答^[64]を執筆し、^[73]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た。^[o]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。^[74]このモデルの特性は、1965年にグラルニクによって、^[75] 1966年にヒッグスによって、^[76] 1967年にキブルによって、^[77]さらに1967年にGHKによって考察された。 ^[78] 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た場合、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。^{[64] [65] [79]} 1967年に、スティーブン・ワインバーグ^[80] とアブドゥス・サラム^{[81]はそれぞれ独立に、ヒッグス機構を使用して}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[ ^{82] （それ自体が}シュウィンガー の研究の拡張）の 電弱対称性を破る方法を示し、素粒子物理学の標準モデルを形成した。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であろうことを最初に観察した。^{[83] [p]}

当初、ゲージ対称性の自発的破れに関するこれらの独創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、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、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。^[83]彼らの貢献、および繰り込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」理論的研究を含む^[84] ）は 、最終的に「非常に深遠で影響力のあるもの」となったが^[85]、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、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。^{[86]ワインバーグの論文は、2004年のノーベル賞受賞スピーチでデイヴィッド}・ポリッツァーが論じた。 ^[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^[87] が、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。^[85]ポリッツァーによれば、実際には、物理​​学者ベンジャミン・リーのおかげで、ほぼすべての人がこの理論を知ったという。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。^[85]このようにして、1971年以降、関心と受容が「爆発的に増加」し^[85]、そのアイデアは急速に主流に吸収された。^{[83] [85]}

結果として得られた電弱理論と標準モデルは、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。[ ^f]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年のReviews of Modern Physicsの論文と包括的なレビューでは、「これらの議論の[数学的な]正しさを疑う人は誰もいなかったが、自然がそれらを利用するほど悪魔のように賢いとは誰も信じていなかった」とコメントされています。 [ ^88]さらに、理論はこれまでのところ実験と一致する正確な答えを生み出しているが、理論が根本的に正しいかどうかは不明であると付け加えています。^[89] 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。^{[14] [15]}

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。^[79] 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。 ^[90]（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。^[91]）3本のPRL論文のうち2本（ヒッグスとGHKによる）には、後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。^{[71] [72]}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。崩壊できるのは質量のある粒子だけであり、崩壊によってメカニズムを証明できる。^[要出典]

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。^[71]（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。^{[92] ：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。^[72] 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。 ^{[63] [93]} 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。^[64]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が予測されており、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。まれに、衝突の副産物としてヒッグス粒子が一瞬生成されます。ヒッグス粒子は非常に速く崩壊するため、粒子検出器はそれを直接検出できません。代わりに、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築します。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、多くのプロセスが同様の崩壊シグネチャを生成する可能性があります。幸いなことに、標準モデルはこれらのそれぞれと既知の各プロセスが発生する可能性を正確に予測します。したがって、検出器が、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した場合、これはヒッグス粒子が存在するという強力な証拠になります。

粒子衝突でヒッグス粒子が生成される確率は非常に低いと考えられるため (LHC では 100 億分の 1)、^[q] 、他の多くの衝突イベントで同様の崩壊シグネチャが見られる可能性があるため、ヒッグス粒子の存在について結論を出す前に、数百兆回の衝突のデータを解析し、「同じ図を示す」必要があります。新しい粒子が発見されたと結論付けるには、粒子物理学者は、2 つの独立した粒子検出器の統計解析で、それぞれ、観測された崩壊シグネチャが背景のランダムな標準モデル イベントによるものである可能性が 100 万分の 1 未満であることを示す必要があります。つまり、観測されたイベントの数は、新しい粒子がない場合に予想される数と 5標準偏差(シグマ) 以上異なる必要があります。衝突データが増えると、観測された新しい粒子の物理的特性をより適切に確認でき、物理学者はそれが標準モデルで説明されているヒッグス粒子なのか、それとも他の仮説上の新しい粒子なのかを判断できます。

ヒッグス粒子を見つけるには、強力な粒子加速器が必要だった。なぜなら、ヒッグス粒子は低エネルギー実験では見えないかもしれないからだ。結論を導き出すのに十分な衝突が見られるようにするために、 衝突器は高い輝度を持つ必要があった。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、高度なコンピューティング設備が必要だった。 ^[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、世界最大の計算グリッド（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、36か国にまたがる世界規模のネットワーク内の170を超える計算施設で構成されています。^{[96] [97] [98]}

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。 ^[r] これは、ヒッグス粒子が存在するとすれば、その質量は質量よりも重いはずであることを意味していた。114.4 GeV/ c ² . ^[99]

探索は米国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アップグレードされていた。テバトロンがヒッグス粒子を見つけられ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）がまだ建設中であり、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、完成しなかったため、テバトロンは稼働中の唯一の超大型衝突型加速器であった。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に追いつけなくなったため2011年9月30日に閉鎖された。データの最終分析により、質量が100万Kg/cm2のヒッグス粒子の可能性は排除された。147 GeV/ c ²および180 GeV/ c ²。さらに、ヒッグス粒子の質量が180 GeV/c 2 の間である可能性を示唆する、わずかな（しかし有意ではない）イベントの過剰も発生しました。115 GeV/ c ²および140 GeV/ c ² . ^[100]

スイスの欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、ヒッグス粒子の存在を確認または否定できるように特別に設計されました。ジュネーブ近郊の地下27kmのトンネルに建設され、当初はLEPが設置されていましたが、2本の陽子ビームを衝突させるように設計されました。ビームあたり3.5 TeV（合計7 TeV）で、テバトロンの約3.6倍であり、将来的には2 × 7 TeV（合計14 TeV）にアップグレード可能です。理論上、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でそれを発見できるはずです。これまでに作られた中で最も複雑な科学機器の1つであるこの機器は、初回テストの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、運用準備が14か月遅れました。 ^{[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100万質量に絞り込んだ。116–130 GeV/ c ² (ATLAS) および115–127 GeV/ c ² (CMS)。^{[105] [106]}また、すでにいくつかの有望なイベント超過が発生していたが、それらは「蒸発」し、単なるランダムな変動に過ぎないことが判明した。しかし、2011年5月頃から、^[107]両方の実験の結果の中に、ガンマお​​よび4レプトン崩壊シグネチャの小さいながらも一貫した超過といくつかの他の粒子崩壊がゆっくりと現れ、すべてが約115–127 GeV/c 2の質量を持つ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った」（ただし、決定的とは言えない）ため、ATLAS と CMS の両チームの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、両チームのリーダーと 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、ある時点で共通の結論に近づいてい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、成功し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 に狭まったことで、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」と表現される）は「大きな関心」をもって公知であった。^[108]そのため、2011 年末には、LHC が 2012 年の衝突データ（衝突エネルギーがわずかに高い 8 TeV）を検証した 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。^{[108] [109]}

2012年6月22日、CERNは2012年の暫定的な発見を網羅するセミナーを開催すると発表した^{[113] [114]}。その後まもなく（ソーシャルメディアで広まっている噂の分析によると2012年7月1日頃から^[115]）、このセミナーには重要な発表が含まれるとの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]粒子を提案した}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人の一流物理学者」が招待された（一般に1964年の論文著者の存命の5人を指すと考えられている）と噂が広まり、ヒッグス、エングラー、グラルニク、ハーゲンが出席し、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の両実験は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）を組み合わせた分析を使用すると、両方の実験は独立して5シグマの局所的有意性に達しました。これは、偶然だけで少なくとも同じくらい強い結果を得る確率が300万分の1未満であることを意味します。追加のチャネルを考慮すると、CMS有意性は4.9シグマに減少しました。^[123]

2つのチームは2011年後半から2012年初頭にかけて、互いに「盲検」で研究を行っていた^[107]。つまり、お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（ランダムな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可能性は5億8800万分の1）に向上し、質量は126.0 ± 0.4（統計）± 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）± 0.5（システム）GeV/ c ²となりました。^[122]

2012年の発見後も、125 GeV/ c ²粒子はヒッグス粒子だった。一方で、観測結果は、観測された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、実験の不確実性の範囲内で標準モデルの予測と概ね一致していた。しかし、現時点では実験の不確実性により別の説明の余地が残されており、ヒッグス粒子の発見を発表するのは時期尚早であっただろう。^[126]データ収集の機会を増やすため、LHC の 2012 年のシャットダウンと 2013 ～ 2014 年のアップグレードは 7 週間延期され、2013 年に突入した。^[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しており、いくつかの相互作用に関するさまざまな結果がその理論の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、新しい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）、非標準モデルの発見に関する以前のヒントが「蒸発」または有意性が増加していないこと、WおよびZ粒子との標準モデルの相互作用が予想されること、超対称性に賛成または反対する「重要な新しい意味合い」がないこと、そして一般的には標準モデルのヒッグス粒子に予想される結果からこれまでのところ大きな逸脱がないことを強調した。^[s]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年月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] [s]}

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ました。 125 GeV/ c ²であり、実験エラーや偶然の結果によって誤解されたわけではない。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月以降に調査された限りでは、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非常に近いように思われた。それでも、将来のテスト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、ヒッグス粒子または他の未知のボソンである可能性はまだある。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、^{[30] [32]}科学者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、広範なメディア報道で、その年中にヒッグス粒子が確認されたと（誤って）発表された。^[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] また、ブルックヘブン国立研究所の物理^学副部長は、2013年2月に「決定的な」答えには、2015年に加速器が再始動してから「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、欧州原子核研究機構（CERN）の研究ディレクター、セルジオ・ベルトルッチは、スピン0を確認することが、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に残された主要な要件であると述べた。^[140]

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・パリティに関するいくつかの選択肢を比較したが、それらはすべてスピンなしと偶数パリティを優先している[標準モデルと一致するヒッグス粒子の2つの基本的な基準]。これは、新しい粒子と他の粒子との測定された相互作用と相まって、それがヒッグス粒子であることを強く示唆している。^[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った。 ^[33]

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：^{[s] [13]}

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」と呼んだ。^[35] 2019年現在、大型ハドロン衝突型加速器は、ヒッグス場と粒子に関する2013年の理解を確認する発見を生み出し続けている。^{[147] [148]}

2015年に再開されて以来、LHCの実験作業には、ヒッグス場とボソンをより詳細に調査し、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年以降の調査では、予測されていたボトムクォークのペア（3.6σ）などのフェルミオンへの直接崩壊の強力な証拠が得られました。これは、その短い寿命と他のまれな崩壊を理解する上で「重要なマイルストーン」と表現されています。また、タウレプトンのペア（5.9σ）への崩壊も確認されました。これは、CERNによって「ヒッグスボソンとレプトンとの結合を確立するために最も重要であり、自然界での役割が深い謎である電子とクォークの非常に重いコピーである第3世代フェルミオンとの結合を測定するための重要なステップを表しています」と説明されました。^[35] 2018年3月19日時点で公開されたATLASとCMSの13TeVでのヒッグス質量の測定は、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た。これは、ヒッグス粒子の全崩壊の約60％を占める。^{[149] [150] [151]}

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、これは部分的には電磁気学や強い相互作用（量子色力学）などの基礎物理学の他の分野での成功によるものである。しかし、シェルドン・グラショウが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あった。質量項を持つフェルミオンはゲージ対称性を破るため、ゲージ不変にはなり得ない。（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系と右手系の成分で調べればわかる。スピン半減粒子は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らないことがわかる。 ^[t]） WボソンとZボソンは質量を持つことが観測されているが、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にはなり得ない。したがって、標準モデル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、質量を固有の特性として「開始」することはできないようです。ゲージ不変性が保持される場合、これらの粒子は他のメカニズムまたは相互作用によって質量を獲得する必要があります。

さらに、自発的な対称性の破れに基づく解決策は失敗したようで、ゴールドストーンの定理の必然的な結果のようです。自発的な対称性の破れの原因となる複素平面の「円形の谷」の周りを移動するのに潜在的なエネルギーコストがないため、結果として生じる量子励起は純粋な運動エネルギーであり、したがって質量のないボソン（「ゴールドストーンボソン」）であり、これは新しい長距離力を意味します。しかし、新しい長距離力や質量のない粒子も検出されませんでした。したがって、これらの粒子に質量を与えているものが何であれ、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」ことはなく、実際には自然界には存在しないと思われる予期しない質量のない粒子や長距離力を必要としたり予測したりしてはなりませんでした。

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の数学の中に隠されていた、これまで気づかれなかった境界線上のケースの発見から生まれました。^[o] ある条件下では、ゲージ不変性を崩すことなく、また新たな質量のない粒子や力も生じさせることなく、対称性を破り、数学的に「意味のある」（くりこみ可能な）結果をもたらすことが理論的に可能になるかもしれないというものでした。これはヒッグス機構として知られるようになりました。

標準モデルでは、この効果の原因となる場、ヒッグス場（記号： ）を仮定しています。この場は、基底状態で振幅がゼロでない、つまり真空期待値がゼロでないという珍しい特性を持っています。ヒッグス場がこの効果を持つのは、最も低い「点」が「中心」にない珍しい「メキシカンハット」型のポテンシャルを持っているためです。簡単に言えば、他のすべての既知の場と異なり、ヒッグス場はゼロ値よりもゼロ値でない値を持つのに必要なエネルギーが少ないため、どこでもゼロでない値になります。ある極めて高いエネルギーレベル以下では、このゼロでない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、ヒッグス機構が生じ、場と相互作用する粒子による質量獲得が引き起こされます。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し、予想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できる他の粒子）と相互作用します。両方の基礎理論の手に負えない問題は互いに「中和」され、残りの結果として、素粒子はヒッグス場と相互作用する強さに基づいて一貫した質量を獲得します。これは、ゲージボソンに質量を与えながらゲージ理論と互換性を保つ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であり、ヒッグス粒子として知られています。^[153]${\displaystyle \phi }$

提案されたヒッグス機構は、超伝導の観測を説明するために提案された理論の結果として生まれました。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)。この奇妙な観測は、この現象の間、何らかの形で電磁場が短距離になることを示唆しています。1950 年代に、これを説明するための成功した理論が最初にフェルミオン (ギンツブルグ - ランダウ理論、1950 年)、次にボソン ( BCS 理論、1957 年) に対して生まれました。

これらの理論では、超伝導は荷電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、場が荷電されている必要がある。荷電スカラー場は複素数でもある必要がある（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）。素朴なゲージ理論では、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、代わりに優先される位相の選択が固定される。しかし、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た。この余分な項によって、電磁場は短距離になる。

素粒子物理学の分野でこの理論に注目が集まると、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に変化させることは、まさに弱い力のボソンに求められる効果だった（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、場のゲージボソンが質量を獲得するか、または同様の同等の効果を持つことが示唆される）。これを実現するために必要な場の特徴も非常に明確に定義されており、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、これらを互いに回転させることができる対称性をサポートするために複雑でなければならない。^[u]

上で説明した最小標準モデルは、ヒッグス場が 1 つだけのヒッグス機構の最も単純なモデルとして知られています。しかし、ヒッグス粒子の二重項または三重項を追加した拡張ヒッグス セクターも可能であり、標準モデルの多くの拡張がこの特徴を備えています。理論で支持されている非最小ヒッグス セクターは、2 つのヒッグス二重項モデル(2HDM) であり、これは5 つのスカラー粒子の存在を予測します。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、および 2 つの荷電ヒッグス粒子 H ^{± です}。超対称性("SUSY") は、ヒッグス粒子の質量とゲージ粒子の質量の関係も予測し、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重要な方法は、粒子の相互作用（「結合」）と正確な崩壊過程（「分岐比」）の研究であり、これらは粒子衝突で実験的に測定およびテストできます。タイプ I 2HDM モデルでは、1 つのヒッグス二重項がアップクォークとダウンクォークに結合しますが、2 番目の二重項はクォークに結合しません。このモデルには 2 つの興味深い制限があり、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」）に結合するが、両方に結合することはありません。タイプ II 2HDM モデルでは、1 つのヒッグス二重項はアップタ​​イプクォークにのみ結合し、もう 1 つはダウンタイプクォークにのみ結合します。^[154]綿密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 2HDM ヒッグスセクターが含まれているため、タイプ I 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。^[要出典]

他のモデルでは、ヒッグスカラーは複合粒子である。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のペアによって果たされる。他のモデルではトップクォークのペアが特徴である（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ている。^{[155] [156]}

標準モデルでは、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残されている。これは理論的には不十分であると考えられており、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が、同時に標準モデルではヒッグス粒子の質量が100万分の1のオーダーであることが求められる。 100から1000 GeV/ c ²のユニタリー性を保証するために（この場合、縦ベクトルボソン散乱をユニタリー化するために）。^[157]これらの点を調和させるには、なぜほぼ完全なキャンセルが発生し、目に見える質量が約1000 GeV/ c 2になるのかを説明する必要があるようです。 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連性や理由があるか、説明できない極めて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、基本粒子と相互作用の将来の理論では、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る必要がある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 の粒子（ヒッグス粒子など）に特有であり、スピンを持つ粒子には影響しない量子補正に関連する問題を引き起こす可能性があります。^[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、多くの解が提案されている。

また、量子自明性の問題もあり、これは基本的なスカラー粒子を含む一貫した量子場理論を作成することが不可能かもしれないことを示唆している。^{[159]自明性の制約は、ヒッグス粒子の質量などのパラメータを制限または予測するために使用できる。これは、}漸近的な安全性のシナリオ で予測可能なヒッグス質量につながる可能性もある。

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、すなわち2つの中性場と2つの荷電成分場で構成される。荷電成分の両方と中性場の1つはゴールドストーン粒子であり、質量のある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のあるヒッグス粒子に対応し（理論的には質量のある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、ヒッグス場は虚数質量を持ち、したがってタキオン場である。^[v]タキオン（光より速く移動する粒子）は純粋に仮説的な概念であるが、虚数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、虚数質量は不安定性を生み出す。1つ以上の場励起がタキオンである構成は自発的に崩壊し、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、現在ではヒッグス機構自体が自然界でどのように生じるのか、したがって電弱対称性の破れの理由であると考えられている。

虚数質量という概念はやっかい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作用素は依然として交換可能（または反交換可能）であり、情報と粒子は依然として光より速く伝播しない。^[165]タキオン凝縮は、局所的限界に達し、単純に物理的タキオンを生成すると予想される物理系を、物理的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、むしろヒッグス粒子のような通常の粒子となる。^[166]

ヒッグス場はスカラーなので、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]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）であれば、標準モデルはプランクスケール（10 ¹⁹  GeV/ c ²）。^[169]標準モデルでは、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、標準モデルの不十分な特性に基づいて、標準モデルを超える新しい物理がTeVスケールで出現することを期待している。^{[170]ヒッグス粒子（または他の電弱対称性の破れのメカニズム）に許容される最大の質量スケールは1.4 TeVである。この点を超えると、特定の散乱プロセスで}ユニタリー性が破れる ため、そのようなメカニズムなしでは標準モデルは矛盾する。^[171]

実験的に難しいものの、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。標準モデルでは、ヒッグス粒子は間接的な影響を数多く持ちます。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粒子の質量などの電弱パラメータの精密測定は、ヒッグス粒子の質量の制限を計算するために使用できます。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100万分の1未満である可能性が高いことがわかりました。161 GeV/ c ²信頼度95% 。^[w]これらの間接的な制約は、標準モデルが正しいという仮定に依存しています。標準モデルで収容できる粒子を超えた他の粒子を伴う場合、これらの質量を超えるヒッグス粒子を発見することはまだ可能です。^[173]

LHCはヒッグス粒子の寿命が極めて短いため、その寿命を直接測定することはできない。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、はるかにまれ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（H → γ*γ → ℓℓγ）を介したダリッツ崩壊から得られます。この技術を使用して、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]}

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とんど同様に、粒子加速器で生成することができます。これは、多数の粒子を極めて高いエネルギーまで加速し、光速に極めて近い速度にしてから、それらを衝突させることを伴います。陽子と鉛イオン（鉛原子の裸の原子核）がLHCで使用されます。これらの衝突の極端なエネルギーでは、望ましい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ます。理論上の予測との不一致や差異も、理論の改善に使用できます。関連する粒子理論（この場合は標準モデル）によって、必要な衝突の種類と検出器が決まります。標準モデルでは、ヒッグス粒子はさまざま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。たとえば、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。^[q]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。

グルーオン核融合

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。ヒッグス粒子への粒子の結合は質量に比例するため、このプロセス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。このプロセスは LHC とテバトロンで支配的な寄与であり、他のどのプロセスよりも約 10 倍起こりやすい。^{[94] [174]}

ヒッグス・シュトラールング

基本的なフェルミオンが反フェルミオンと衝突すると（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のWまたはZボソンを形成し、十分なエネルギーを運べばヒッグス粒子を放出することができる。このプロセスはLEPでの主要な生成モードで、電子と陽電子が衝突して仮想のZボソンを形成し、テバトロンにおけるヒッグス粒子生成の2番目に大きな寄与であった。LHCではこのプロセスは3番目に大きい。なぜなら、LHCは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くなるからである。ヒッグス放射は付随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ときのもう1つの可能性は、2つが仮想のW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。そのため、たとえばアップクォークはZボソンを反ダウンクォークと交換することがあります。このプロセスは、LHCとLEPでのヒッグス粒子の生成にとって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プロセスは、これまでのところ、最も可能性が低い（2桁低い）プロセスです。このプロセスでは、2つのグルーオンが衝突し、それぞれが重いクォークと反クォークのペアに崩壊します。その後、各ペアのクォークと反クォークが結合してヒッグス粒子を形成します。^{[94] [174]}

量子力学は、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、さまざまな要因に依存します。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、標準モデルによって固定されています。125 GeV/ c ^{2 では、}標準模型は平均寿命を約1.6 × 10 ⁻²² 秒. ^[b]

ヒッグス粒子は標準理論のすべての質量の大きい素粒子と相互作用するため、崩壊するさまざまなプロセスがあります。これらの各プロセスには独自の確率があり、分岐比として表されます。分岐比とは、そのプロセスに従う崩壊の総数の割合です。標準理論では、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 (図を参照)。

ヒッグス粒子が崩壊する方法の1つは、フェルミオンと反フェルミオンのペアに分裂することです。一般的な規則として、ヒッグス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いです。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ペアになるはずです。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番目に一般的な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2つの質量を持つゲージ粒子に分裂することです。最も可能性が高いのは、ヒッグス粒子が2つのW粒子に崩壊することです（グラフの薄い青色の線）。これは、質量が1.5g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と区別が難しく、レプトンへの崩壊は完全に再現できない（ニュートリノは粒子衝突実験では検出できないため）。よりきれいなシグナルは、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（トップまたはボトム）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、上記のグルーオン融合プロセスの逆であり、質量が1.5gのヒッグス粒子の場合、約8.6%の確率で起こる。125 GeV/ c ²。^[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ことははるかに稀で、1000回の崩壊につき2回しか起こりません。^[2]しかし、このプロセスはヒッグス粒子の実験的探索に非常に関連しています。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年に、極めてまれなダリッツ崩壊が暫定的に観測され、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）と光子（ℓℓγ）に崩壊した^[要出典]。これは、ヒッグスから仮想光子、ℓℓγへの崩壊（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、ℓℓγへの崩壊、またはヒッグスから2つのレプトンへの崩壊（そのうちの1つがℓℓγにつながる最終状態の光子を放出する）の3つの方法で発生する可能性がある。ATLASは、低ダイレプトン質量（≤30 GeV/ c ²）では、この過程が支配的になるはずです。この観測値はシグマ3.2（1000分の1）の有意性です。 ^{[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が可能になる）、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）の破れの調査を可能にするため重要です。 ^[4]

粒子と場と最も強く結びついている名前は、ヒッグス粒子^{[92] : 168}とヒッグス場である。しばらくの間、この粒子は、その PRL の著者名 (時にはアンダーソンを含む) の組み合わせで知られており、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、またはエングラー・ブラウト・ヒッグス・グラルニク・ハーゲン・キブル機構^{[x] など}と呼ばれ、これらは今でも時々使用されている。^{[64] [179]}認知の問題とノーベル賞の共同受賞の可能性に一部刺激され、^{[179] [180]} 最も適切な名前は、2013 年まで時折議論の的となっていた。^[179] ヒッグス自身は、関係者全員の頭文字、または「スカラー粒子」、または「いわゆるヒッグス粒子」のいずれかで粒子を呼ぶことを好んだ。^[180]

ヒッグスの名前が独占的に使われるようになった経緯については、かなりの量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、粒子を正式に予測し調査する上で、独特で、より明確で、より明示的なステップを踏んだというものである。PRL論文の著者のうち、ヒッグスの論文だけが、質量のある粒子が存在することを予測として明示的に提示し、その特性のいくつかを計算した。 ^{[181] [92] : 167 そのため、} Nature によると、彼は「質量のある粒子の存在を最初に仮定した」人物である。^[179] 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ており、^{[182] [92] : 167} 、ヒッグスだけが予測された質量のあるスカラー粒子 に注目し、他の全員が質量のあるベクトル粒子に注目していたとコメントしている。^{[182] [92] : 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」を実験者に提供しました。^[183]

しかし、ヒッグスの見解では、ブロウトとエングラートはボソンについて明示的に言及しなかった。なぜなら、彼らの研究でその存在は明白だからである。^{[69] : 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、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のある粒子が存在する可能性がある。^{[93] : 9}ヒッグスの論文はまた、科学史家デイヴィッド・カイザーによれば、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。^[180]

別の説明としては、この名前は1970年代に便利な略語として使われたため、または引用の間違いにより普及したというものです。多くの報告（ヒッグス自身も含む^{[69] : 7}）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。^[y] リーは初期の理論の重要な普及者であり、1972年からその構成要素の「便利な省略形」として習慣的に「ヒッグス」という名前を付けていました。^{[17] [179] [ 184] [185] [186]} 少なくとも1つの例は1966年から使用していました。 ^[187]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す」と明確にしましたが、^[184] 彼がこの用語を使用したこと（およびおそらくスティーブン・ワインバーグが1967年の独創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影響しています^{[92] [188] [187]}）により、1975年から1976年頃までには他の人も「ヒッグス」という名前を専ら省略形として使い始めました。^[z] 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」より）に名前を付けたことで知られるが、「歴史は複雑で、どこに線を引いても、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。^[180]

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。^{[189] [190] [191] [192] [193]このニックネームは、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・レーダーマンが1993年に出版したヒッグス粒子と素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。^{[28]レダーマンは、米国政府の}超伝導超大型加速器^[194]に対する支援が失敗に終わった状況でこれを執筆した。超伝導超大型加速器は、計画衝突エネルギー2×20TeVの大型ハドロン衝突型加速器の競合として建設途中の巨大な^{[195] [196]}計画で、レダーマンは1983年の構想開始以来^{[194] [aa] [197] [198]}を主張し、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​​の認識を高めることも目的としていた。^[199]この分野の第一人者であるレダーマンは、自分の本のタイトルを「くそったれな粒子：宇宙が答えなら、問題は何か？ 」にしたかったと書いている。レダーマンの編集者は、タイトルがあまりにも物議を醸すと判断し、 「神の粒子：宇宙が答えなら、問題は何か？」に変更するよう説得した。^[200]

メディアでこの用語が使われたことで、認知度と関心が高まったかもしれないが、^[201]多くの科学者は、この名称は不適切だと感じている。 ^{[17] [18] [202]}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。 ^{[203]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。無神論者のヒッグスは不快感を示し、2008年のインタビューで、この名称は「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。^{[203] [204] [205]}このニックネームは、主流メディアでも風刺されている。^[206]サイエンスライターのイアン・サンプルは、2010年に出版したこの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「普遍的に嫌われている」ものであり、物理学史上おそらく「最も嘲笑されている」ものであると述べているが、（レーダーマンによれば）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という。^[207] 

レダーマンは、人類の長い知識の探求を振り返ることから始め、その皮肉なタイトルは、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、初期の創世記の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聖書のバベルの物語との類似点を描いていると説明しています。^[208]

今日 、標準モデルがあり、現実のすべてを 12 個ほどの粒子と 4 つの力に還元しています 。これは苦労して得た単純さであり、驚くほど正確です。しかし、不完全で、実際、内部的に矛盾しています。 このボソンは、今日の物理学の状態に非常に重要であり、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、非常に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、出版社がこれを「くそったれ粒子」と呼ぶことを許可しなかったためです。ただし、その悪質な性質とそれがもたらす費用を考えると、そのタイトルの方が適切かもしれません。2 つ目は、別の本、かなり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^{[28] : 22}

レダーマンは、ヒッグス粒子が宇宙の知識を求める人々を困惑させ混乱させるために追加されたのか、そして物理学者は物語で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克服して「神が作った宇宙がいかに美しいか」を理解するのかを問うている。^[209]

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、同紙の科学記者は最優秀作品として「シャンパンボトルボソン」という名前を選んだ。「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。だから、恥ずかしいほど大げさな名前ではなく、覚えやすく、物理学とのつながりもあります。」^[210]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の意見記事でも提案されました。^[211]

ヒッグス粒子と場がどのように質量を生み出すかについての類推と説明については、公の場でかなりの議論がなされており、^{[212] [213]それ自体の説明の試みの報道や、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 による最も人気の高い説明を競うコンテスト^[214] 、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。^[215]

マット・ストラスラーは電界を例えとして用いている。^[216]

ヒッグス場と相互作用する粒子もあれば、そうでない粒子もあります。ヒッグス場を感じる粒子は、質量があるかのように振る舞います。電場でも同じようなことが起こります。荷電した物体は引き寄せられ、中性物体は影響を受けずに通り抜けます。ですから、ヒッグス探索は、ヒッグス場に波を起こして [ヒッグス粒子を生成して] ヒッグス場が本当に存在することを証明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。^[217]

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におけるさざ波です...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。

ヒッグス場の粒子に対する効果は、物理学者デイビッド・ミラーによって、部屋全体に均等に広がる政党関係者でいっぱいの部屋に似ているとよく説明された。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。^{[ab]彼はまた、結晶格子の存在下で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。^[218]

「シロップ」や「糖蜜」のアナロジーを含む抗力効果に基づくアナロジーもよく知られていますが、ヒッグス場は単に一部の粒子の運動に抵抗し、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ります。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もあります。^[220]

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。^{[221] [222] [223]}

2013 年後半までに、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に、そして検討対象となる非常に幅広い人々について、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一連の理論家、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モデル自体を導き出した理論家、そしてヒッグス場と粒子の実際の証明を可能にした CERN やその他の機関の実験家が含まれます。ノーベル賞は 3 名までという制限があり、受賞候補者の中には既に他の研究で受賞者であったり、故人となっている人もいます (賞は生前にのみ授与されます)。ヒッグス場、粒子、またはメカニズムに関連する研究に対する既存の賞には、次のものがあります。

• 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に対して^[224]
• 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^[225]
• 理論素粒子物理学のための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^[90]（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マンであるファビオラ・ジャノッティとピーター・ジェニ、CMS共同研究の過去および現在のスポークスマンであるミシェル・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でのATLAS共同研究とCMS共同研究による新しいヒッグスのような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の役割に対して」^[226]
• 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^[227]

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。^[228]

さらに、フィジカル・レビュー・レターズの50年レビュー（2008年）では、 1964年のPRL対称性の破れの論文と、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」として認められました。^[87]

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名前が付けら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^{[229] [230]} （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）。^[231]

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。

${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{array}}\right)\,}$

場は電荷 + ⁠1/2⁠弱い超荷電U(1)対称性の下では^[232]

注: この記事では、電荷Q、弱いアイソスピンT ₃、弱いハイパー電荷Y _{W が}Q = T ₃ + Y _Wで関連付けられるスケーリング規則を使用します。他のほとんどのWikipediaの記事では、 Q = T ₃ + ⁠という異なる規則が使用されています。1/2⁠ Y _W . ^{[233] [234] [235]}

ラグランジアンのヒッグス部分は^[232]

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }-igW_{\mu \,a}{\tfrac {1}{2}}\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right|^{2}+\mu _{\text{H}}^{2}\phi ^{\dagger }\phi -\lambda \left(\phi ^{\dagger }\phi \right)^{2}\ ,}$

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、基底状態ではSU(2)対称性が破れます（図を参照）。 ${\displaystyle W_{\mu \,a}}$${\displaystyle B_{\mu }}$${\displaystyle g}$${\displaystyle g'}$${\displaystyle \sigma ^{a}}$${\displaystyle \lambda >0}$${\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。基底状態で となるようなゲージを選ぶことは常に可能である。基底状態での の期待値（真空期待値またはVEV）は であり、ここで である。このパラメータの測定値は ~ である。${\displaystyle \phi ^{1}=\phi ^{2}=\phi ^{3}=0}$${\displaystyle \phi ^{0}}$${\displaystyle \left\langle \phi ^{0}\right\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2\,}}}v}$${\displaystyle v={\tfrac {1}{\sqrt {\lambda \,}}}\left|\mu _{\text{H}}\right|}$246 GeV/ c ²。^[126]これは質量の単位を持ち、標準モデルの唯一の無次元数ではない自由パラメータである。およびの2次項はWボソンとZボソンの質量を与える：^[232]${\displaystyle W_{\mu }}$${\displaystyle B_{\mu }}$

${\displaystyle {\begin{aligned}m_{\text{W}}&={\tfrac {1}{2}}v\left|\,g\,\right|\ ,\\m_{\text{Z}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ ,\end{aligned}}}$

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次のように与えられる。 ${\textstyle \cos \theta _{\text{W}}={\frac {m_{\text{W}}}{\ m_{\text{Z}}\ }}={\frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}}$${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu _{\text{H}}^{2}\ }}\equiv {\sqrt {2\lambda v^{2}\ }}.}$

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。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Y}}=&-\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {\nu }}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {h.c.}}\ ,\end{aligned}}}$

ここで、はi世代目の左手系および右手系のクォークとレプトンであり、は湯川結合行列である。ここで、hc は先行するすべての項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。クォークとレプトン場を湯川結合行列が対角となる基底に回転すると、次式が得られる。 ${\displaystyle (d,u,e,\nu )_{\text{L,R}}^{i}}$${\displaystyle \lambda _{\text{u,d,e}}^{i\,j}}$${\displaystyle \phi ^{0}}$

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{m}}=-m_{\text{u}}^{i}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{i}+{\textrm {h.c.}},}$

ここでフェルミオンの質量はであり、湯川行列の固有値を表す。^[232]${\displaystyle m_{\text{u,d,e}}^{i}={\tfrac {1}{\sqrt {2\ }}}\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}v}$${\displaystyle \lambda _{\text{u,d,e}}^{i}}$