Loading article…
ヒッグス粒子（ヒッグスボソンとも呼ばれる）[ 9 ] [ 10 ]は、素粒子物理学の標準模型における素粒子であり、素粒子物理学理論における場の一つであるヒッグス場の量子励起によって生成される[ 11 ] [ 12 ]。[ 12 ]標準模型では、ヒッグス粒子は質量を持つスカラーボソンであり、ヒッグス場との相互作用によって質量を生じる粒子と結合（相互作用）し、スピンはゼロ、パリティは偶数（正） 、電荷はなく、カラー電荷もない[ 13 ]。また、非常に不安定で、生成されるとほぼ瞬時に他の粒子に崩壊する。
ヒッグス場は、2つの電気的に中性の成分と2つの電気的に帯電した成分を持つスカラー場であり、弱いアイソスピンSU(2)対称性の複素二重項を形成します。その「ソンブレロポテンシャル」により、あらゆる場所（本来は空である空間を含む）でゼロ以外の値を取ることになり、電弱相互作用の弱い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ます。ヒッグス場の存在は、素粒子物理学の標準模型で最後に検証されなかった部分となり、数十年にわたり「素粒子物理学の中心的な問題」と考えられていました。[ 14 ] [ 15 ]
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。彼は1964年に3つのチームの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。当時知られていたすべての素粒子[ c ]は非常に高いエネルギーでは質量がないはずですが、一部の粒子が低エネルギーでどのように質量を獲得するかを完全に説明することは非常に困難でした。これらの考えが正しければ、スカラーボソン（特定の性質を持つ）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ボソンと呼ばれ、ヒッグス場が正しい説明であるかどうかを検証するために使用されました。
40年にわたる探索の末、2012年にスイスのジュネーブ近郊にあるCERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で行われたATLAS実験とCMS実験によって、期待された特性を持つ素粒子が発見された。この新粒子はその後、ヒッグス粒子の期待される特性と一致することが確認された。3つのチームのうち2つのチームの物理学者、ピーター・ヒッグスとフランソワ・アングレールは、その理論的予測により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ついているが、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・レーダーマンによる1993年の著書『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 ]によって批判されている。
物理学者は、宇宙の基本的な粒子と力を標準模型で説明します。標準模型は、量子場理論に基づく広く受け入れられている枠組みで、重力以外の既知のほぼすべての粒子と力を非常に高い精度で予測します。（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。）標準模型では、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性質から生じます。標準模型における力は、ゲージボソンとして知られる粒子によって伝達されます。[ 19 ] [ 20 ]
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ある。例えば、電磁石の電位を100ボルト増加させても、それが生み出す磁場自体には何の変化も生じない。同様に、真空中における光速は、時間と空間における位置や局所的な重力場に関わらず、常に一定である。
これらの理論では、ゲージは結果に影響を与えずに変化させることができる量です。このような変化に対する結果の独立性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。量子場理論と標準模型はどちらもゲージ不変な理論であり、ゲージ対称性によって宇宙の性質を理論的に導出することができます。
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である電弱相互作用）のゲージ不変理論を構築しようとする試みはすべて一貫して失敗に終わった。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 つの力の対称性の要件が、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していたことである (素粒子物理学の専門用語では、「質量」は特に粒子の静止質量を指す)。しかし、実験では、W と Z ゲージ ボソンはゼロではない (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たが、証拠はそれらが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、あるいは未知の何かが弱い力の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意味しない方法で行われていることを意味していた。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た。
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、すべての安定配置の空間が特定の対称性を持つが、個々の安定配置はその対称性を持たない場合のように、ある変数が基礎となる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もなり得ることを示唆した。
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、場合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 ]。もしそうであれば、ゴールドストーンボソンは存在せず、WボソンとZボソンが質量を獲得し、両方の問題を同時に解決できるかもしれない。同様の振る舞いは、超伝導において既に理論的に提唱されていた[ 23 ] 。1964年には、物理学者のアブラハム・クラインとベンジャミン・リーによって、少なくともいくつかの限定された（非相対論的な）ケースでは、これが理論的に可能であることが示された[ 24 ] 。
1963年の論文[ 25 ]と1964年初頭の論文[ 24 ]に続き、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、すべてのケースにつ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、電弱対称性の条件が「破れる」ことを示し、実際には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が質量を獲得するだろうと述べた。
この現象が起こるために必要な場（当時は純粋に仮説上のものだった）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を引き起こす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、他の既知の場とは異なり、非ゼロの値を持つ場合、ゼロの場合よりもエネルギーが小さくなることである。したがって、ヒッグス場はあらゆる場所で非ゼロの値（または真空期待値）を持つ。この非ゼロの値は、理論的には電弱対称性を破る可能性がある。これは、ゲージ不変理論の中で、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ことを示すことができた最初の提案だった。
これらの考えは当初はあまり支持や注目を集めなかったものの、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「妥当な」結果をもたらし、さらに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高い精度で予測した。[ g ] 1970年代には、これらの理論は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、標準模型には電弱対称性を「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、ヒッグス機構を引き起こすと仮定されました。したがって、この場は、極めて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ることになります。[ h ]弱い力の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、実験結果とも一致します。[ i ]さらに、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）が質量を持つ理由を別の方法で説明することも後に認識されました。
ヒッグス粒子が発見される以前は、ヒッグス場が存在するという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考えるようになった。1980年代までに、ヒッグス場が存在するかどうか、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に検証されていない部分となり、数十年にわたって「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 ]
数十年もの間、科学者たちはヒッグス場の存在を確かめる術を持っていなかった。なぜなら、当時ヒッグス場を検出するために必要な技術が存在しなかったからである。もしヒッグス場が存在するならば、それは他の既知の基本場とは全く異なるものとなるだろうが、これらの重要な概念、あるいは標準模型全体が何らかの形で間違っている可能性もあった。[ j ]
仮説上のヒッグス理論はいくつかの重要な予測を行った。[ g ] [ 27 ]： 22重要な予測の1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だというものだった。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、したがって最終的に標準模型が証明されることになる。そのため、ヒッグス場自体の存在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し、ゼロではないものの、その存在を証明することは決して容易ではありませんでした。原理的には、ヒッグス粒子（ヒッグスボソン）として現れる励起を検出することで存在を証明できますが、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が非常にまれであることから、生成と検出は極めて困難です。そのため、ヒッグスボソンの最初の証拠が見つかるまでには数十年かかりました。ヒッグスボソンを探すことができる粒子衝突装置、検出器、コンピューターの開発には30 年以上（1980年頃～2010年）を要しました。この根本的な問題の重要性から、40年にわたる探索が行われ、ヒッグスボソンやその他の粒子を生成して観測および研究するために、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）[ 28 ]が建設されました。
2012年7月4日 、質量が から の間の新しい粒子が発見されました125 GeV/ c 2と 127 GeV/ c 2が発表され、物理学者たちはそれがヒッグス粒子であると推測した。[ 29 ] [ k ] [ 30 ] [ 31 ]それ以来、この粒子は、ヒッグス粒子の 2 つの基本的な属性である偶パリティとゼロスピンを持つことを含め、標準模型によって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います。 [ 7 ] [ 8 ]これはまた、それが自然界で発見された最初の素粒子スカラー粒子であることを意味します。 [ 32 ]
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った。[ 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、一部の素粒子が（静止）質量を持つ理由を説明する。また、弱い力のボソンが移動する距離が極めて短い理由、したがって弱い力の作用範囲が極めて短い理由など、他のいくつかの長年の問題も解決する。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て振る舞い続けていることが示されている。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か、あるい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かどう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ある。[ 33 ]
この場の性質と特性は、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る。[ 34 ]
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、水面のさざ波など、よく知られた対称性の破れ効果との類似性を含む、さまざまな類推が用いられてきた。
媒体中を移動する巨視的な物体の抵抗に基づいた他の類推（例えば、群衆の中を移動する人々、あるいはシロップや糖蜜の中を移動する物体など）はよく用いられるが、誤解を招く。なぜなら、ヒッグス場は実際には粒子に抵抗せず、質量の効果は抵抗によって引き起こされるものではないからである。
標準模型において、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求められなければならない。その質量は、 CMS (2022) [ 35 ]による125.35 ± 0.15 GeV/ c 2およびATLAS実験（2023年）では125.11 ± 0.11 GeV/ c²と測定された。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ある。スピンはゼロ、パリティは偶数（正）、電荷も色電荷もなく、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瞬時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つの電気的に中性の成分と2つの電荷を持つ成分からなり、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、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、159.5 ± 1.5 GeV/ k B [ 36 ]ビッグバンの最初のピコ秒(10 −12秒)に見られるようなヒッグス場は、基底状態では非ゼロの場合にエネルギーが低くなり、非ゼロの真空期待値が生じます。したがって、今日の宇宙では、ヒッグス場はあらゆる場所で (それ以外は空っぽの空間でも) 非ゼロの値を持ちます。この非ゼロの値は、あらゆる場所で電弱相互作用の弱いアイソスピン SU(2) 対称性を破ります。(厳密には、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。) このことが起こると、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」されて、弱い力の質量を持つW および Z ボソンの縦方向成分になります。残りの電気的に中性の成分は、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する（湯川結合を介して）ことで、これらの粒子も質量を獲得する可能性がある。[ 37 ]
ヒッグス粒子の発見以来、その多くの性質に関する知識は著しく進歩してきたものの、ヒッグス粒子の自己結合定数は未だ測定されていない。標準模型におけるヒッグスポテンシャルの形状には、三次および四次の自己結合定数が含まれており、これらはポテンシャルの完全な形状、ヒッグス場の性質、および電弱対称性の破れ（EWSB）を理解する上で鍵となる。ヒッグス粒子対生成は、電弱スケールにおける自己結合定数λを直接的に実験的に探る手段となる。
ヒッグス場とその性質に関する証拠は、多くの理由から非常に重要である。ヒッグス粒子の主な重要性は、重い電弱ボソンが質量を獲得するメカニズムを完成させることであり、その質量が既存の実験技術を用いて検証できる程度であることは幸運であり、ヒッグス場理論全体を検証し研究する方法となる。[ 11 ] [ 12 ]逆に、ヒッグス場とヒッグス粒子が予想される質量範囲内に存在しないという証拠もまた重要であっただろう。
ヒッグス粒子は、弱い相互作用粒子の質量生成機構に関する標準模型の妥当性を検証し、フェルミオンに質量を与えることができる。その性質に関するより精密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、あるいは否定されたりする可能性がある。ヒッグス場の振る舞いや相互作用を測定する実験的手法が開発されるにつれて、この基本的な場はより深く理解されるようになるだろう。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、あるいは取って代わられる必要があっただろう。
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高く、標準模型はいずれ拡張または取って代わられるだろうという考えが広く共有されている。ヒッグス粒子の発見、そしてLHCで観測された数多くの衝突実験は、物理学者にとって標準模型の破綻を示す証拠をデータから探るための高感度なツールとなり、研究者が将来の理論的発展へと進むための重要な指針となる可能性を秘めている。
極めて高い温度以下では、電弱対称性の破れにより、電弱相互作用が短距離の弱い力として部分的に現れ、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、その時の宇宙の温度は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、および太陽などの恒星における核反応に必要です。ヒッグス場は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）およびWゲージボソンとZゲージボソンの質量（ヒッグス機構による）を生成する上で極めて重要な役割を果たしますが、最も重要な要素は弱いボソンの質量の生成でした。標準模型のラグランジアンにフェルミオンの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、重要性の低い副産物でした。フェルミオンの質量は手動で入力する必要があり、これは基本的に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。
ヒッグス場は無から質量を「創造」するわけではなく、また、すべての粒子の質量の原因がヒッグス場にあるわけでもありません。例えば、バリオン（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あり、これはクォークの運動エネルギーと、バリオン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。 [ 39 ]ヒッグスに基づく理論では、「質量」という性質は、素粒子がヒッグス場と相互作用（「結合」）するときに素粒子に伝達される位置エネルギーの現れです。 [ 40 ]
ヒッグス場は検出された唯一のスカラー（スピン0）場です。標準模型の他のすべての基本場は、スピン1/2のフェルミオンまたはスピン1のボソンです。 [ l ]ヒッグス粒子が発見された当時のCERNの事務局長ロルフ＝ディーター・ホイヤー によれば、このスカラー場の存在証明は、他の粒子の質量を決定する上でのヒッグスの役割とほぼ同じくらい重要です。これは、インフラトンからクインテッセンスまで、他の理論で示唆されている他の仮説上のスカラー場も存在する可能性があることを示唆しています。[ 41 ] [ 42 ]
ヒッグス場とインフラトン（宇宙誕生後最初の数秒間（「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ために提案された仮説上の場）との間の関連性については、かなりの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である可能性があり、ヒッグス場はそのような場の一つであり、その存在は、ビッグバン時の宇宙の指数関数的膨張の原因とな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ている。このような理論は非常に暫定的であり、ユニタリ性に関連する重大な問題を抱えているが、大きな非最小結合、ブランズ・ディッケ・スカラー、またはその他の「新しい」物理学などの追加的な特徴と組み合わせれば実現可能になる可能性があり、ヒッグス・インフレーション・モデルは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。
標準模型では、宇宙の根底にある状態、いわゆる「真空」が長寿命ではあるものの、完全に安定しているわけではない可能性が存在する。このシナリオでは、我々が知る宇宙は、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、標準模型がプランクスケールの極限エネルギーまで素粒子物理学を正確に記述できるのであれば、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可能である。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]ヒッグス粒子の質量は125–127 GeV/ c 2は安定性の境界に非常に近いように見えますが、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精密な測定が必要です。 [ 43 ]新しい物理学はこの見方を変える可能性があります。[ 54 ]
ヒッグス粒子の測定結果が、我々の宇宙がこのような偽の真空状態にあることを示唆するならば、それはおそらく何十億年も後には[ 55 ] [ n ]、真の真空が核生成すれば、我々が知っているような宇宙の力、粒子、構造は存在しなくなり（そして別のものに置き換えられる）可能性があることを意味するだろう。[ 55 ] [ o ]また、ヒッグス自己結合λとそのβλ関数がプランクスケールでゼロに非常に近い可能性があることも示唆しており、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精密な測定を提供できるだろう。[ 43 ]
さらに推測的な見方では、ヒッグス場は真空のエネルギーであるとも提唱されており、ビッグバンの最初の瞬間の極限的なエネルギーによって、宇宙は分化されていない極めて高いエネルギーの、特徴のない対称性を持つようになった。このような推測では、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ており）、ヒッグス場、あるいは類似の場の相転移における連続的な対称性の破れによって、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（もしあれば）も、科学的な研究対象となっている。観測された真空エネルギー密度は極めてゼロに近いが、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、それよりも何桁も大きい。これらをどのように整合させるべきかは不明である。この宇宙定数問題は、物理学における主要な未解決問題として残っている。
素粒子物理学者は、力の伝達体として作用する交換粒子（ゲージボソン）によって相互作用が媒介される素粒子から構成される物質を研究します。1960年代初頭には、これらの粒子の多くが発見または提案され、それらが互いにどのように関連しているかを示唆する理論も提唱されました。これらの理論の一部は、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既に再定式化されていました。[ 60 ]： 150しかし、既知の4つの基本力のうち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しようとする試みは、まだ成功していません。
既知の問題の一つは、統一理論に大きな期待を抱かせたヤン・ミルズ理論（1954年）のような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ゼロと予測しているように見えたことである。 [ 23 ]いくつか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、多くの明白な解決策を排除しているように見えた。[ 61 ]なぜなら、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存在しなければならず、それらは単に「見られない」だけであることを示しているように見えたからである。[ 62 ]グラルニックによれば、物理学者はこれらの問題をどのように克服できるか「理解していなかった」。[ 62 ]
素粒子物理学者で数学者のピーター・ウォイトは、当時の研究状況を次のように要約した。
ヤンとミルズの非可換ゲージ理論の研究には、大きな問題が一つありました。摂動論では、我々が見るものとは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一つの方法は、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。強い相互作用によって、質量のない「グルーオン」状態が長距離で消滅します。1960年代初頭には、質量のない粒子のもう一つの発生源、連続対称性の自発的対称性の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年の夏に気づき、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み出す）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み出す）と結合して、物理的な質量のあるベクトル場（質量を持つゲージボソン）を生み出すことができるということです。これは超伝導で起こる現象であり、アンダーソンはこの分野における第一人者の一人であった（そして今もそうである）。[ 23 ] [テキストは省略]
ヒッグス機構は、自発的対称性の破れの副産物として、ゲージ不変性を明示的に破ることなくベクトルボソンが静止質量 を獲得できるプロセスである。[ 63 ] [ 64 ]自発的対称性の破れの背後にある数学理論は、当初、素粒子物理学において南部陽一郎によって1960年に考案され発表された[ 65 ]（そして、1938年にエルンスト・シュトゥッケルベルクによってある程度予見されていた[ 66 ]）。そして、そのようなメカニズムが「質量問題」に対する可能な解決策を提供する可能性があるという概念は、以前に超伝導における対称性の破れとその結果に関する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た。[ 67 ]アンダーソンは、ヤン・ミルズ理論に関する 1963 年の論文で、「超伝導アナログを考慮すると、これらの 2 種類のボソンは互いに打ち消し合うことができ、有限質量のボソンを残すことができるようです」と結論付けました。 [ 68 ] [ 25 ]また、1964 年 3 月に、アブラハム・クラインとベンジャミン・リーは、ゴールドストーンの定理は少なくともいくつかの非相対論的なケースでは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ました。[ 24 ]
これらのアプローチは、3 つの物理学者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ました。1964年 8 月にFrançois EnglertとRobert Broutによって[ 69 ] 、 1964 年 10 月にPeter Higgsによって[ 70 ] 、1964 年 11 月にGerald Guralnik、Carl Hagen、Tom Kibble (GHK)によって[ 71 ]開発されました。Higgs はまた、1964 年 9 月に発表された、 Gilbertの異議に対する短いが重要な[ 63 ]回答を書いており[ 72 ]、放射ゲージ内で計算すると、Goldstone の定理と Gilbert の異議は適用できなくなることを示していました。[ p ] Higgs は後に、Gilbert の異議が自身の論文を書くきっかけになったと述べています。[ 73 ]このモデルの特性は、1965 年に Guralnik によって、[ 74 ] 1966 年に Higgs によって、[ 75 ] 1967 年に Kibble によって、[ 76 ]さらに 1967 年に GHK によって検討されました。 [ 77 ] 1964 年の元の 3 つの論文では、ゲージ理論が対称性を自発的に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が示されました。[ 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、ヒッグス機構がシェルドン・グラショウの弱い相互作用と電磁相互作用の統一モデル[ 81 ] （それ自体はシュウィンガー の研究の拡張） の電弱対称性を破るためにどのように使用できるかを独立に示し、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と最初に指摘した。[ 82 ] [ q ]
当初、ゲージ対称性の自発的破れに関するこれらの先駆的な論文は、問題となっている（非アーベルゲージ）理論は行き詰まりであり、特に繰り込みが不可能であると広く信じられていたため、ほとんど無視されました。1971年から72年にかけて、マルティヌス・フェルトマンとジェラルド・ト・フーフトは、質量のない場と質量のある場を扱った2つの論文で、ヤン・ミルズの繰り込みが可能であることを証明しました。[ 82 ]彼らの貢献と、ロシアの物理学者ルドヴィグ・ファデエフ、アンドレイ・スラヴノフ、エフィム・フラドキン、イゴール・チュチンによる「実質的な」理論的研究を含む繰り込み群に関する他の人々の研究[ 83 ]は、最終的に「非常に深遠で影響力のあるもの」となりましたが[ 84 ]、最終的な理論の重要な要素がすべて発表された後でも、まだほとんど関心は寄せられませんでした。例えば、コールマンは研究の中で、1971年以前にはワインバーグの論文に「実質的に誰も注意を払っていなかった」ことを発見し[ 85 ] 、デビッド・ポリッツァーは2004年のノーベル賞受賞スピーチでこのことを論じた[ 84 ]。現在では素粒子物理学で最も引用されている論文である[ 86 ]。ポリッツァーによれば、1970年当時でさえ、グラショウの弱い相互作用の講義には、ワインバーグ、サラム、グラショウ自身の研究についての言及はなかった[ 84 ] 。実際には、ポリッツァーによれば、ほとんどすべての人が、フェルトマンとト・フーフトの研究を他の人々の洞察と組み合わせ、完成した理論を普及させた物理学者ベンジャミン・リーのおかげでこの理論を知った[ 84 ] 。このようにして、1971年から関心と受容が「爆発的に」高まり[ 84 ]、そのアイデアはすぐに主流に吸収された。[ 82 ] [ 84 ]
その結果として生まれた電弱理論と標準模型は、（とりわけ）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を正確に予測し、これらの質量やその他の特性を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やその他の著名な賞を受賞しました。1974年の論文とReviews of Modern Physicsの包括的なレビューでは、「これらの議論の[数学的]正しさを疑う者はいなかったが、自然がそれらを利用するほど悪魔的に賢いと信じる者はいなかった」[ 87 ]と述べ、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きたが、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ました。[ 88 ] 1986年までに、そして1990年代にも再び、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 つの論文は、Physical Review Lettersの50周年記念の際にそれぞれ画期的な論文として認められました。[ 78 ]また、これらの論文の 6 人の著者は、この研究に対して 2010 年のJJ Sakurai 理論素粒子物理学賞を受賞しました。[ 89 ] (ノーベル賞の場合、最大 3 人の科学者しか表彰されないのに、これらの論文には 6 人の著者がクレジットされているため、同年には論争も起こりました。[ 90 ] ) 3 つの PRL 論文のうち 2 つ (Higgs と GHK によるもの) 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ました。[ 70 ] [ 71 ]ヒッグスの 1966 年の次の論文では、粒子の崩壊メカニズムが示されました。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が証明されます。
ヒッグスの論文では、ボソンは質量を持ち、最後の文でヒッグスは、この理論の「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項の予測」であると書いています。[ 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ます。[ 91 ] ： 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分離されています。[ 71 ] 2009 年と 2011 年の論文で、Guralnik は、GHK モデルではボソンは最低次の近似でのみ質量ゼロであるが、制約を受けず、高次の場合には質量を獲得すると述べており、GHK の論文はモデルに質量ゼロのGoldstone ボソンが存在しないことを示して、一般的な Higgs 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。 [ 62 ] [ 92 ] 3 つの論文は、アプローチが大きく異なるにもかかわらず、同様の結論に達した。Higgs の論文は基本的に古典的な手法を使用し、Englert と Brout の論文は想定される対称性の破れ真空状態の周りの摂動論で真空偏極を計算するものであり、GHK は演算子形式と保存則を使用して Goldstone の定理を回避する方法を深く探究した。[ 63 ] [ 93 ]この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ボソンが予測されており、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には、2つ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短時間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、粒子検出器で直接検出することはできません。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示唆されます。実際には、多くの過程が類似した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、標準模型はこれらの各崩壊過程、および既知の各崩壊過程の発生確率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、一貫してヒッグス粒子と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となります。
粒子衝突におけるヒッグス粒子の生成は非常にまれである（LHCでは100億分の1）ため、[ r ] や他の多くの衝突事象も同様の崩壊シグネチャを示す可能性があるため、ヒッグス粒子の存在に関する結論に達する前に、数百兆回の衝突のデータを分析し、「同じ像」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分析がそれぞれ、観測された崩壊シグネチャが単なる背景のランダムな標準模型事象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していること、つまり、観測された事象の数が、新しい粒子が存在しない場合に予想される数よりも5標準偏差（シグマ）以上異なっていることを要求します。衝突データが増えると、観測された新しい粒子の物理的性質をよりよく確認でき、物理学者は、それが実際に標準模型で記述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でした。なぜなら、ヒッグス粒子は低エネルギー実験では見られない可能性があるからです。結論を導き出すのに十分な衝突が観測されるように、衝突型加速器は高い光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、高度なコンピューティング設備が必要でした。 [ 96 ] 2012年7月4日の発表では、 CERNに大型ハドロン衝突型加速器（LHC）と呼ばれる新しい衝突型加速器が建設されました。最終的な衝突エネルギーは14 TeV （これまでのどの衝突型加速器の7倍以上）で、300兆以上（ 3 × 10 14 ) LHC の陽子-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、 36 か国にまたがる世界規模のネットワークにある 170 を超えるコンピューティング施設で構成されています。[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]
ヒッグス粒子の最初の本格的な探索は、1990年代にCERNの大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）で行われた。2000年にLEPが運用を終えるまでに、ヒッグス粒子の決定的な証拠は見つからなかった。 [ s ] これは、ヒッグス粒子が存在するならば、それはより重いものでなければならないことを意味していた。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、1995年にトップクォークを発見した衝突型加速器である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発見できる保証はなかったが、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加速器（SSC）が1993年に中止され、完成しなかったため、稼働していた唯一の超大型加速器だった。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に追いつけなくなったため、2011年9月30日に停止された。データの最終分析では、質量が から の間のヒッグス粒子の可能性は除外された。 147 GeV/ c 2および180 GeV/ c² 。さらに、質量が 180 GeV/ c²のヒッグス粒子を示唆する可能性のある事象のわずかな（ただし有意ではない）過剰が見られました。115 GeV/ c 2および140 GeV/ c 2 . [ 100 ]
スイスの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確認または否定するため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（元々はLEPが使用していた）に建設されたこの加速器は、当初は2つの陽子ビームを衝突させるように設計されており、 ビームあたり3.5 TeV (合計 7 TeV)、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。理論では、ヒッグス粒子が存在する場合、これらのエネルギーレベルでの衝突でそれを明らかにできるはずだと示唆されている。これまでに作られた最も複雑な科学機器の 1 つですが、運用準備は、最初のテストから 9 日後に発生した磁石クエンチイベント により 14 か月遅れました。これは、欠陥のある電気接続が原因で 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です。[ 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しうる質量範囲を約1000 µmまで絞り込んだ。116–130 GeV/ c 2 (ATLAS) および115–127 GeV/ c 2 (CMS)。[ 105 ] [ 106 ]また、有望なイベント超過がいくつかすでに「消滅」し、単なるランダムな変動であることが判明していた。しかし、2011 年 5 月頃から、[ 107 ]両実験の結果には、ガンマ線と 4 レプトン崩壊のシグネチャと他のいくつかの粒子崩壊の小さくても一貫した超過がゆっくりと出現しており、これらはすべて質量約 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、異常なデータは125 GeV/ c²は「無視できないほど大きくなっていた」（ただし、まだ決定的な証拠には程遠かった）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密かに疑っていた。[ 107 ] 2011 年 11 月28 日 、両チームのリーダーと CERN 事務局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 の両方が、125 GeV/c² という共通の結果に収束しつつある可能性が示唆された。125 GeV/ c²まで絞り込まれ、発見が成功した場合に備えて初期準備が開始された。[ 107 ]この情報は当時一般には知られていなかったが、ヒッグス粒子の可能性のある範囲が約 125 GeV/c² まで狭まったことは、115–130 GeV/2および ATLAS と CMS の両方で複数のチャネルにわたって小さくても一貫したイベント超過が繰り返し観測された。124–126 GeV/ c 2領域（約 2–3 シグマの「そそるヒント」と表現されている）は「大きな関心」を集めて公に知られていた。[ 108 ]そのため、2011 年末頃には、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) を検証した時点で、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扱うセミナーの開催を発表し[ 113 ] [ 114 ]、その後まもなく（ソーシャルメディアで広まった噂の分析によると2012年7月1日頃から[ 115 ]）、このセミナーには重大な発表が含まれるという噂がメディアで広まり始めたが、それがより強いシグナルなのか正式な発見なのかは不明だった。[ 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出て、憶測は「熱狂的」なレベルにまで高まった。 [ 118 ] [ 119 ]また、「5人の著名な物理学者」が招待されたという報道も出た。これは一般的に、1964年の論文の著者5人を指していると考えられており、ヒッグス、エングラート、グラルニク、ハーゲンが出席し、キブルが招待を確認した（ブラウトは2011年に死去）。[ 120 ]
2012年7月4日、CERNの2つの実験はそれぞれ独立して同じ発見をしたと発表した。[ 121 ] CMS実験でこれまで知られていなかった質量を持つボソンを発見125.3 ± 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 つの相互作用タイプ (「チャネル」として知られる) の複合解析を使用すると、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が得られる確率が 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に入れると、CMS の有意性は 4.9 シグマに低下しました。[ 123 ]
2つのチームは2011年末か2012年初め頃から互いに「盲目」で作業しており[ 107 ] 、これは結果について互いに話し合わなかったことを意味し、共通の発見が粒子の真の検証であるという確実性をさらに高めた[ 96 ] 。2つの異なる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コラボレーションは、「新粒子の観測」に関する追加データ解析を発表し、第3チャネルからのデータも含まれており、有意性が5.9シグマ（ランダムなバックグラウンド効果のみで少なくとも同等の強い証拠が得られる確率が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/ c2となった[ 125 ]。また、CMSは有意性を5シグマに向上させ、質量は125.3 ± 0.4（統計）± 0.5（システム）GeV/ c2となった[ 122 ]。
2012年の発見後も、125 GeV/ c 2粒子はヒッグス粒子であった。一方では、観測結果は、観測された粒子が標準模型のヒッグス粒子であることと一致しており、粒子は少なくとも予測されたチャネルのいくつかに崩壊した。さらに、観測されたチャネルの生成率と分岐比は、実験誤差の範囲内で標準模型の予測と概ね一致した。しかし、実験誤差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の発表は時期尚早であったことを意味する。[ 126 ]データ収集の機会を増やすため、LHC の提案された 2012 年の停止と 2013 ～ 14 年のアップグレードは 2013 年まで 7 週間延期された。[ 127 ]
2012年11月、京都で開催された会議で、研究者らは、7月以降に収集された証拠は、代替案よりも基本標準モデルと一致しており、いくつかの相互作用の結果の範囲がその理論の予測と一致していると述べた。[ 128 ]物理学者のマット・ストラッスラーは、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「相当な」証拠（ヒッグス粒子に必要なこの発見と一致する）、標準モデル以外の発見の以前のヒントの「蒸発」または重要性の増加の欠如、WボソンとZボソンとの標準モデル相互作用の予想、超対称性に対する「重要な新しい意味」の欠如、そして一般的に、標準モデルのヒッグス粒子に期待される結果からの今日までの重要な逸脱がないことを強調した。[ t ]しかし、標準モデルへのいくつかの種類の拡張も非常に似た結果を示すだろう。[ 130 ]そのため、解説者たちは、発見されてから長い年月が経ってもなお理解が進んでいる他の粒子に基づくと、発見された粒子を確信するには何年も、完全に理解するには何十年も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月時点で科学者たちが質量が約の未知の粒子を発見したと確信していたことを意味する。 125 GeV/ c 2であり、実験誤差や偶然の結果に惑わされることはなかった。また、最初の観測から、新しい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粒子の挙動と特性も、ヒッグス粒子に期待される挙動に非常に近いように見えた。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もまだあり、2012 年 12 月の時点では、CERN は新しい粒子がヒッグス粒子と「矛盾しない」と述べるにとどまり、[ 29 ] [ 31 ]科学者たちはそれがヒッグス粒子であるとはまだ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、ヒッグス粒子がその年に確認されたという広範なメディア報道が（誤って）発表された。[ 137 ]
2013 年1 月 、CERN の事務局長ロルフ＝ディーター・ホイヤーは、これまでのデータ分析に基づくと、2013 年半ば頃には答えが得られる可能性があると述べた[ 138 ]また、ブルックヘブン国立研究所の物理学副主任は2013 年 2 月、衝突型加速器の 2015 年の再稼働後、「決定的な」答えを得るには「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 研究部長セルジオ・ベルトゥルッチは、スピン 0 を確認することが、そ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は以下のことを確認した。
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かつ偶数パリティ（標準模型と一致するヒッグス粒子の2つの基本的な基準）を好んだ。このことと、新しい粒子と他の粒子との測定された相互作用を合わせると、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素粒子スカラー粒子となった。 [ 32 ]
2017年7月、CERNはすべての測定結果が標準模型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。[ 34 ] 2019年現在、大型ハドロン衝突型加速器は、2013年のヒッグス場と粒子の理解を裏付ける発見を出し続けている。[ 147 ] [ 148 ]
2015年に運転を再開して以来、LHCの実験ではヒッグス場とヒッグス粒子をより詳細に調査し、あまり知られていない予測が正しいかどうかを確認する作業が行われてきました。特に、2015年以降の調査では、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が予測されていたことの強力な証拠が得られました。これは、ヒッグス粒子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」とされています。また、タウレプトンのペアへの崩壊（5.9σ ）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、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一歩となる。第3世代フェルミオンの役割は自然界において深い謎に包まれている」と述べています。[ 34 ] 2018年3月19日時点で発表されたATLASとCMSの13 TeVでのヒッグス質量の測定値は 124.98 ± 0.28 GeV/ c 2および それぞれ125.26 ± 0.21 GeV/ c² 。
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現象を観測したと報告した。これは、ヒッグス粒子の崩壊全体の約60%を占める。[ 149 ] [ 150 ] [ 151 ]
ゲージ不変性は、標準模型などの現代の素粒子理論の重要な性質であり、電磁気学や強い相互作用（量子色力学）などの他の基礎物理学の分野での成功も一因となっている。しかし、 1961年にシェルドン・グラショウが電弱統一モデルを拡張する以前は、弱い核力や可能性のある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・ラグランジアンを左巻きと右巻きの成分で調べるとわかる。スピン1/2の粒子は質量に必要なヘリシティを反転させることは決してできないため、質量はゼロでなければならない。[ u ]） 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明らかにゲージの選択に依存する項が含まれているため、これらの質量もゲージ不変にはなり得ない。したがって、ゲージ不変性を放棄しない限り、標準模型のフェルミオンやボソンは質量を固有の性質として「最初から」持つことはできなかったように思われる。ゲージ不変性を維持するには、これらの粒子は他の何らかのメカニズムや相互作用によって質量を獲得する必要があった。
さらに、自発的対称性の破れに基づく解決策も失敗に終わったようで、これはゴールドストーンの定理の必然的な結果であるように思われた。自発的対称性の破れの原因となる複素平面の「円形の谷」を周回するのに位置エネルギーのコストがないため、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」）となり、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、理論の他の部分でうまく機能する基礎としてゲージ不変性を「破って」はならず、また、実際には自然界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要求したり予測したりしてはならない。
これらの重複する問題すべてに対する解決策は、ゴールドストーンの定理の数学の中に隠されていた、これまで見過ごされてきた境界ケースの発見から生まれた。[ p ] ある条件下では、ゲージ不変性を破壊したり、新たな質量のない粒子や力を生じさせたりすることなく、対称性を破ることができ、数学的に「妥当な」（繰り込み可能な）結果が得られる可能性があるというものだ。これはヒッグス機構として知られるようになった。
標準模型では、この効果の原因となる場をヒッグス場（記号：）は、基底状態において振幅がゼロでないという珍しい性質、すなわち真空期待値がゼロでないという性質を持っています。これは、最低点が中心にないという珍しい「ソンブレロ」型のポテンシャルによるものです。簡単に言うと、他の既知の場とは異なり、ヒッグス場はゼロ値よりも非ゼロ値になるために必要なエネルギーが少ないため、あらゆる場所で非ゼロ値になります。ある極めて高いエネルギーレベル以下では、この非ゼロの真空期待値の存在が自発的に電弱ゲージ対称性を破り、それがヒッグス機構を生み出し、場と相互作用する粒子による質量の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よって自由度として「吸収」され、湯川結合を介してフェルミオンと結合し、それによって期待される質量項が生成されることによって生じます。これらの条件下で対称性が破れると、生じるゴールドストーンボソンは、新たな質量のな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。両方の基礎理論の解決困難な問題は互いに「相殺」し、その結果として、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、ゲージ理論と互換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、ヒッグスボソンとして知られるスカラーボソンになります。[ 153 ]
提案されたヒッグス機構は、超伝導における観測結果を説明するために提案された理論の結果として生まれた。超伝導体は外部磁場の侵入を許さない（マイスナー効果）。この奇妙な観測結果は、この現象の間、電磁場が何らかの形で短距離になることを示唆している。1950年代には、まずフェルミオン（ギンツブルグ＝ランダウ理論、1950年）、次にボソン（BCS理論、1957年）について、この現象を説明する理論が成功した。
これらの理論では、超伝導は電荷を帯びた凝縮体場から生じるものと解釈されます。当初、凝縮体の値には特定の方向がなく、スカラーであることを意味しますが、ゲージに基づく場の理論では、その位相によってゲージを定義することができます。そのためには、場に電荷を帯びさせる必要があります。電荷を帯びたスカラー場は複素数でなければなりません（別の言い方をすれば、少なくとも2つの成分と、それぞれを互いに回転させることができる対称性を持つ必要があります）。単純なゲージ理論では、凝縮体のゲージ変換は通常、位相を回転させます。しかし、これらの状況では、代わりに好ましい位相の選択を固定します。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生じることも判明しました。この余分な項によって、電磁場は短距離になります。
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、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が短距離に変化することは、まさに弱い力のボソンに求められる効果であった（長距離力は質量のないゲージボソンを持ち、短距離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した、あるいは同様の同等の効果が生じることを示唆している）。この効果を実現するために必要な場の特性もかなり明確に定義されていた。それは少なくとも2つの成分を持つ電荷を持つスカラー場であり、これらの成分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 ]
上述の最小標準模型は、ヒッグス場が1つだけのヒッグス機構の既知の最も単純なモデルです。しかし、追加のヒッグス粒子の二重項または三重項を持つ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はこの特徴を持っています。理論によって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偶数の中性ヒッグス粒子h₀とH₀ 、 1つのCP奇数の中性ヒッグス粒子A₀ 、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ボソンの質量の間の関係も予測し、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」）の研究であり、これらは粒子衝突で実験的に測定および検証できます。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つの興味深い極限があり、最も軽いヒッグスがフェルミオンのみに結合する（「ゲージ嫌悪」）か、ゲージボソンのみに結合する（「フェルミオ嫌悪」）かのどちらかで、両方には結合しません。タイプII 2HDMモデルでは、1つのヒッグス二重項がアップ型クォークのみに結合し、もう1つはダウン型クォークのみに結合します。[ 154 ]徹底的に研究されている最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。
他のモデルでは、ヒッグススカラーは複合粒子です。たとえば、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担われています。他のモデルでは、トップクォークのペアが特徴となっています（トップクォーク凝縮を参照）。さらに別のモデルでは、ヒッグス場は全く存在せず、余剰次元を使用して電弱対称性が破れています。[ 155 ] [ 156 ]
The Standard Model leaves the mass of the Higgs boson as a parameter to be measured, rather than a value to be calculated. This is seen as theoretically unsatisfactory, particularly as quantum corrections (related to interactions with virtual particles) should apparently cause the Higgs particle to have a mass immensely higher than that observed, but at the same time the Standard Model requires a mass of the order of100 to 1000 GeV/c2 to ensure unitarity (in this case, to unitarise longitudinal vector boson scattering).[157] Reconciling these points appears to require explaining why there is an almost-perfect cancellation resulting in the visible mass of ~ 125 GeV/c2, and it is not clear how to do this. Because the weak force is about 1032 times stronger than gravity, and (linked to this) the Higgs boson's mass is so much less than the Planck mass or the grand unification energy, it appears that either there is some underlying connection or reason for these observations which is unknown and not described by the Standard Model, or some unexplained and extremely precise fine-tuning of parameters –however at present neither of these explanations is proven. This is known as a hierarchy problem.[158] More broadly, the hierarchy problem amounts to the worry that a future theory of fundamental particles and interactions should not have excessive fine-tunings or unduly delicate cancellations, and should allow masses of particles such as the Higgs boson to be calculable. The problem is in some ways unique to spin-0 particles (such as the Higgs boson), which can give rise to issues related to quantum corrections that do not affect particles with spin.[157] A number of solutions have been proposed, including supersymmetry, conformal solutions and solutions via extra dimensions such as braneworld models.
There are also issues of quantum triviality, which suggests that it may not be possible to create a consistent quantum field theory involving elementary scalar particles. This can also lead to a predictable Higgs mass in asymptotic safety scenarios.[159]
標準模型では、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化しないことを意味し、タキオンとは場（粒子ではない）が虚数質量を持ち、特定の構成では対称性の破れを起こさなければならないことを意味する。ヒッグス場は4つの成分から構成される。2つの中性成分と2つの荷電成分場である。荷電成分2つと中性成分の1つはゴールドストーンボソンであり、質量を持つW +、W− 、 Zボソンの縦方向の第3偏極成分として作用する。残りの中性成分の量子は、質量を持つヒッグスボソンに対応し（理論的にはヒッグスボソンとして実現される）。[ 160 ]この成分は湯川結合を介してフェルミオンと相互作用し、フェルミオン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。[ w ]タキオン（光速より速く移動する粒子）は純粋に仮説上の概念であるが、虚数質量を持つ場は現代物理学において重要な役割を果たすようになった。[ 162 ] [ 163 ]このような理論では、いかなる状況下でも励起が光速より速く伝播することはない。タキオン質量の存在または非存在は、信号の最大速度に全く影響を与えない（因果律の違反はない）。[ 164 ]光速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つ以上の場の励起がタキオンである構成は自発的に崩壊しなければならず、結果として生じる構成には物理的なタキオンは含まれない。この過程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発生するのか、ひいては電弱対称性の破れの理由を説明するものと考えられている。
Although the notion of imaginary mass might seem troubling, it is only the field, and not the mass itself, that is quantised. Therefore, the field operators at spacelike separated points still commute (or anticommute), and information and particles still do not propagate faster than light.[165] Tachyon condensation drives a physical system that has reached a local limit –and might naively be expected to produce physical tachyons –to an alternate stable state where no physical tachyons exist. Once a tachyonic field such as the Higgs field reaches the minimum of the potential, its quanta are not tachyons any more but rather are ordinary particles such as the Higgs boson.[166]
Since the Higgs field is scalar, the Higgs boson has no spin. The Higgs boson is also its own antiparticle, is CP-even, and has zero electric and colour charge.[167]
The Standard Model does not predict the mass of the Higgs boson.[168] If that mass is between 115 and 180 GeV/c2 (consistent with empirical observations of 125 GeV/c2), then the Standard Model can be valid at energy scales all the way up to the Planck scale (1019 GeV/c2).[169] It should be the only particle in the Standard Model that remains massive even at high energies. Many theorists expect new physics beyond the Standard Model to emerge at the TeV-scale, based on unsatisfactory properties of the Standard Model.[170] The highest possible mass scale allowed for the Higgs boson (or some other electroweak symmetry breaking mechanism) is 1.4 TeV; beyond this point, the Standard Model becomes inconsistent without such a mechanism, because unitarity is violated in certain scattering processes.[171]
It is also possible, although experimentally difficult, to estimate the mass of the Higgs boson indirectly: In the Standard Model, the Higgs boson has a number of indirect effects; most notably, Higgs loops result in tiny corrections to masses of the W and Z bosons. Precision measurements of electroweak parameters, such as the Fermi constant and masses of the W and Z bosons, can be used to calculate constraints on the mass of the Higgs. As of July 2011, the precision electroweak measurements tell us that the mass of the Higgs boson is likely to be less than about 161 GeV/c2 at 95% confidence level.[x] These indirect constraints rely on the assumption that the Standard Model is correct. It may still be possible to discover a Higgs boson above these masses, if it is accompanied by other particles beyond those accommodated by the Standard Model.[173]
The LHC cannot directly measure the Higgs boson's lifetime, due to its extreme brevity. It is predicted as 1.56×10−22 s based on the predicted decay width of 4.07×10−3 GeV.[2] However it can be measured indirectly, based upon comparing masses measured from quantum phenomena occurring in the on shell production pathways and in the, much rarer, off shell production pathways, derived from Dalitz decay via a virtual photon (H → γ*γ → ℓℓγ). Using this technique, the lifetime of the Higgs boson was tentatively measured in 2021 as 1.2 – 4.6×10−22 s, at sigma 3.2 (1 in 1000) significance.[3][6]
ヒッグス粒子理論が正しければ、ヒッグス粒子は、他の研究対象粒子と同様に、粒子衝突型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、光速に限りなく近い速度まで加速し、それらを衝突させることによって実現される。LHCでは、陽子と鉛イオン（鉛原子の裸の原子核）が用いられる。これらの衝突の極めて高いエネルギーにおいて、目的とする特殊な粒子が時折生成され、これを検出・研究することができる。理論的な予測と異なる、あるいは存在しない粒子は、理論の改良に利用できる。関連する粒子理論（この場合は標準模型）によって、必要な衝突の種類と検出器が決定される。標準模型は、ヒッグス粒子が様々な方法で生成される可能性があると予測しているが、[ 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 ]ヒッグス粒子の生成に最も一般的に予想されるプロセスは以下のとおりである。
量子力学は、粒子がより軽い粒子の集合に崩壊することが可能であれば、最終的には崩壊すると予測している。[ 176 ]これはヒッグス 粒子にも当てはまる。この崩壊が起こる可能性は、質量の差、相互作用の強さなど、さまざまな要因に依存する。これらの要因のほとんどは標準模型（SM）によって固定されているが、ヒッグス粒子自体の質量だけは例外である。ヒッグス 粒子の質量は125 GeV/ c 2 の場合、標準模型は平均寿命を約 125 GeV/ c 2 と予測する。1.6 × 10 −22 秒。[ b ]
ヒッグス粒子は標準模型のすべての質量を持つ素粒子と相互作用するため、 崩壊する過程は多岐にわたります。これらの崩壊過程にはそれぞれ固有の確率があり、分岐比として表されます。これは、崩壊する粒子の総数のうち、その過程を経て崩壊する粒子の割合です。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ます（右の図を参照）。
ヒッグス粒子が崩壊する一つの方法は、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。一般的に、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 ]この論理に従えば、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への崩壊であるはずです。しかし、このような崩壊は、ヒッグス粒子が～よりも重い場合にのみ可能です。346 GeV/ c²、トップクォークの質量の2倍。ヒッグス質量が125 GeV/ c 2では、標準模型は最も一般的な崩壊がボトムクォークと反ボトムクォークのペアへの崩壊であり、これは 57.7% の確率で起こると予測している。[ 2 ]その質量で 2 番目に多いフェルミオン崩壊はタウクォークと反タウクォークのペアであり、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のある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（図の薄い青色の線）。これは、質量が 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のいずれかに崩壊する可能性がある。W ボソンのクォークへの崩壊は背景と区別するのが難しく、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）。よりクリーンな信号は、Z ボソンのペアへの崩壊によって得られる（質量が 125 GeV/c のヒッグス粒子の場合、約 2.6% の確率で発生する） 。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。
Decay into massless gauge bosons (i.e., gluons or photons) is also possible, but requires intermediate loop of virtual heavy quarks (top or bottom) or massive gauge bosons.[126] The most common such process is the decay into a pair of gluons through a loop of virtual heavy quarks. This process, which is the reverse of the gluon fusion process mentioned above, happens approximately 8.6% of the time for a Higgs boson with a mass of 125 GeV/c2. Much rarer is the decay into a pair of photons mediated by a loop of W bosons or heavy quarks, which happens only twice for every thousand decays.[2] However, this process is very relevant for experimental searches for the Higgs boson, because the energy and momentum of the photons can be measured very precisely, giving an accurate reconstruction of the mass of the decaying particle.[126]
In 2021 the extremely rare Dalitz decay was tentatively observed, into two leptons (electrons or muons) and a photon (ℓℓγ), via virtual photon decay. This can happen in three ways:
ATLAS searched for evidence of the first of these (H → γ*γ → ℓℓγ) for low lepton-pair masses (≤ 30 GeV/c2), where this process should dominate. The observation is at significance 3.2 sigma (1 chance in 1000 of being wrong).[3][6] This decay path is important because it facilitates measuring the on- and off-shell mass of the Higgs boson (allowing indirect measurement of decay time), and the decay into two charged particles allows exploration of charge conjugation and charge parity (CP) violation.[6]
At the Large Hadron Collider (LHC), Higgs boson pair production occurs through several distinct mechanisms, similarly as single Higgs production:[178][179]
これらの生成メカニズムはそれぞれ、ヒッグス粒子の自己結合定数λに対する感度が異なるため、標準模型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る。
ヒッグス粒子対は様々な経路で崩壊する。最もよく研究されている最終状態は以下の通りである。
崩壊モードの選択は、LHC実験におけるHH信号に対する感度に影響を与える。
この粒子と場に最も強く関連付けられている名前は、ヒッグス粒子[ 91 ] : 168とヒッグス場です。しばらくの間、この粒子は、PRL の著者名 (アンダーソンを含む) の組み合わせ、例えば、Brout–Englert–Higgs 粒子、Anderson–Higgs 粒子、または Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble 機構[ y ]で知られており、これらは今でも時々使用されています。[ 63 ] [ 181 ]認知の問題と潜在的な共同ノーベル賞[ 181 ] [ 182 ]によって部分的に促進された 最も適切な名前は、2013 年まで時折議論の的となっていました。[ 181 ] ヒッグス自身は、この粒子を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」と呼ぶことを好みました。[ 182 ]
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いる。主な説明は2つある。1つ目は、ヒッグスが論文の中で、粒子を正式に予測し検証する際に、他に類を見ない、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論文の著者の中で、質量のある粒子が存在することを明示的に予測し、その特性の一部を計算したのはヒッグスの論文だけであった。[ 183 ] [ 91 ] : 167したがって、ネイチャー誌 によれば、彼は「質量のある粒子の存在を最初に仮定した人物」であった。[ 181 ] 物理学者で著者のフランク・クローズと物理学者ブロガーのピーター・ウォイトは、GHKの論文もヒッグスとブラウト＝エングレールトがPhysical Review Lettersに投稿された後に完成したとコメントしている。[ 184 ] [ 91 ] : 167また、ヒッグスだけが予測された質量のあるスカラーボソン に注目し、他の全員が質量のある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 検証するために必要な重要な「具体的なターゲット」を実験家にも提供した。[ 185 ]
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の存在が彼らの研究の中で明白であるため、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論文は対称性の破れのメカニズム全体の完全な分析であり、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のある粒子が存在する可能性がある[ 92 ] : 9ヒッグスの論文はまた、科学史家のデイビッド・カイザーによれば、課題とその解決策を「特に鋭く」述べた。[ 182 ]
The alternative explanation is that the name was popularised in the 1970s due to its use as a convenient shorthand or because of a mistake in citing. Many accounts (including Higgs's own[68]:7) credit the "Higgs" name to physicist Benjamin Lee.[z] Lee was a significant populariser of the theory in its early days, and habitually attached the name "Higgs" as a "convenient shorthand" for its components from 1972,[16][181][186][187][188] and in at least one instance from as early as 1966.[189] Although Lee clarified in his footnotes that "'Higgs' is an abbreviation for Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert",[186] his use of the term (and perhaps also Steven Weinberg's mistaken cite of Higgs's paper as the first in his seminal 1967 paper[91][190][189]) meant that by around 1975–1976 others had also begun to use the name "Higgs" exclusively as a shorthand.[aa] In 2012, physicist Frank Wilczek, who was credited for naming the elementary particle, the axion (over an alternative proposal "Higglet", by Weinberg), endorsed the "Higgs boson" name, stating "History is complicated, and wherever you draw the line, there will be somebody just below it."[182]
ヒッグス粒子は、科学界以外の一般メディアではしばしば「神の粒子」と呼ばれています。[ 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ラボ所長のレオン・M・レーダーマンによる、ヒッグス粒子と素粒子物理学に関する1993年の著書『神の粒子：宇宙が答えなら、何が問題なのか？』のタイトルに由来しています。[ 27 ]レダーマンは、超伝導超大型加速器（SSC ）に対する米国政府の支援が失敗に終わった状況でこれを書いた。SSCは、計画された衝突エネルギーが2×20 TeVで、部分的に建設された巨大な[ 197 ] [ 198 ]大型ハドロン衝突型加速器（ LHC）の競合機であり、1983年の構想以来レダーマンが推進し[ 196 ] [ ab ] [ 199 ] [ 200 ]、1993年に閉鎖された。この本は、資金を失う可能性に直面して、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を目的の一つとしていた。[ 201 ]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「The Goddamn Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?」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、質問は何？」に変更するよう彼を説得した。 [ 202 ]
While media use of this term may have contributed to wider awareness and interest,[203] many scientists feel the name is inappropriate[16][17][204] since it is sensational hyperbole and misleads readers;[205] the particle also has nothing to do with any God, leaves open numerous questions in fundamental physics, and does not explain the ultimate origin of the universe. Higgs, an atheist, was reported to be displeased and stated in a 2008 interview that he found it "embarrassing" because it was "the kind of misuse [...] which I think might offend some people".[205][206][207] The nickname has been satirised in mainstream media as well.[208] Science writer Ian Sample stated in his 2010 book on the search that the nickname is "universally hate[d]" by physicists and perhaps the "worst derided" in the history of physics, but that (according to Lederman) the publisher rejected all titles mentioning "Higgs" as unimaginative and too unknown.[209]
Lederman begins with a review of the long human search for knowledge, and explains that his tongue-in-cheek title draws an analogy between the impact of the Higgs field on the fundamental symmetries at the Big Bang, and the apparent chaos of structures, particles, forces and interactions that resulted and shaped our present universe, with the biblical story of Babel in which the primordial single language of early Genesis was fragmented into many disparate languages and cultures.[210]
Today [...] we have the standard model, which reduces all of reality to a dozen or so particles and four forces [...] It's a hard-won simplicity [and] remarkably accurate. But it is also incomplete and, in fact, internally inconsistent [...] This boson is so central to the state of physics today, so crucial to our final understanding of the structure of matter, yet so elusive, that I have given it a nickname: the God Particle. Why God Particle? Two reasons. One, the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle, though that might be a more appropriate title, given its villainous nature and the expense it is causing. And two, there is a connection, of sorts, to another book, a much older one ...
—Lederman & Teresi[27]:22
Lederman asks whether the Higgs boson was added just to perplex and confound those seeking knowledge of the universe, and whether physicists will be confounded by it as recounted in that story, or ultimately surmount the challenge and understand "how beautiful is the universe [God has] made".[211]
A renaming competition by British newspaper The Guardian in 2009 resulted in their science correspondent choosing the name "the champagne bottle boson" as the best submission: "The bottom of a champagne bottle is in the shape of the Higgs potential and is often used as an illustration in physics lectures. So it's not an embarrassingly grandiose name, it is memorable, and [it] has some physics connection too."[212] The name Higgson was suggested as well, in an opinion piece in the Institute of Physics' online publication physicsworld.com.[213]
There has been considerable public discussion of analogies and explanations for the Higgs particle and how the field creates mass,[214][215] including coverage of explanatory attempts in their own right and a competition in 1993 for the best popular explanation by then-UK Minister for Science Sir William Waldegrave[216] and articles in newspapers worldwide.
Matt Strassler explains (summarised): [217]
LHCの物理学者とCERNの高校教師の教育者による教育協力では、虹や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や質量発生効果の有用な類推となることも示唆されている。[ 218 ]
マット・ストラッスラーは、例えとして電場を使用しています。[ 219 ]
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、まるで質量を持っているかのように振る舞います。これは電場でも同様の現象で、帯電した物体は引き寄せられ、中性の物体は影響を受けずに通り抜けることができます。つまり、ヒッグス粒子の探索とは、ヒッグス場に波を起こし（ヒッグス粒子を作り出し）、ヒッグス場が実際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。
ヒッグス粒子は、宇宙の誕生時に出現し、今日まで宇宙全体に広がっていると言われる場のさざ波のようなものだ。しかし、この粒子は極めて重要だ。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だ。
ヒッグス場が粒子に及ぼす影響は、物理学者のデイビッド・ミラーによって、部屋全体に均等に散らばった政党員でいっぱいの部屋に例えられて有名になった。群衆は有名な人に引き寄せられて動きを遅くするが、他の人の動きは遅くしない。[ ac ]彼はまた、固体物理学 におけるよく知られた効果にも注目し、結晶格子が存在すると電子の実効質量が通常よりもはるかに大きくなる可能性があることを指摘した。[ 221 ]
抗力効果に基づく類推、例えば「シロップ」や「糖蜜」の類推もよく知られているが、ヒッグス場が一部の粒子の運動に抵抗するだけで他の粒子の運動には抵抗しないと（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にも矛盾する。[ 223 ]
ヒッグス粒子は、ヒッグス場ではなく質量の原因であると誤解されることが多く、宇宙の質量の大部分に関係していると考えられています。[ 224 ] [ 225 ] [ 226 ]陽子の質量の約91%は、ヒッグス相互作用ではなく、クォーク場とグルーオン場、およびQCD共形異常によるものです。[ 227 ]
2013年後半以前から、ヒッグス粒子が証明された場合の功績の配分についてかなりの議論が交わされ、ノーベル賞が期待されていたこともあり、その議論はさらに白熱した。また、受賞資格のある人物の範囲も非常に広範であった。これには、ヒッグス機構理論を可能にした様々な理論家、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き出した理論家、そしてCERNやその他の機関でヒッグス場とヒッグス粒子の実体的な証明を可能にした実験家が含まれる。ノーベル賞は3人までしか受賞者を分け合うことができず、受賞候補者の中には既に他の業績で受賞している人や、既に亡くなっている人もいる（ノーベル賞は生前にのみ授与される）。ヒッグス場、ヒッグス粒子、またはヒッグス機構に関連する業績に対する既存の賞には以下のようなものがある。
さらに、Physical Review Letters 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年時点で素粒子物理学で最も引用されている論文）を「マイルストーンレター」として認めた。[ 86 ]
2012年7月にヒッグス粒子に似た粒子が観測されたとの報告を受けて、インドの複数のメディアは、1920年代に「ボソン」という粒子群の名前の由来となっ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[ 233 ] [ 234 ] （ただし、物理学者たちはボースとこの発見との関連性は希薄だと述べている）。[ 235 ]
標準模型において、ヒッグス場は4成分スカラー場であり、弱いアイソスピンSU(2)対称性の複素二重項を形成する。
一方、弱いハイパーチャージU(1)対称性の下では、場は+1/2の電荷を持つ。[ 236 ]
Note: This article uses the scaling convention where the electric charge, Q, the weak isospin, T3, and the weak hypercharge, YW, are related by Q = T3 + YW. A different convention used in most other Wikipedia articles is Q = T3 + 1/2YW.[237][238][239]
The Higgs part of the Lagrangian is[236]
where and are the gauge bosons of the SU(2) and U(1) symmetries, and their respective coupling constants, are the Pauli matrices (a complete set of generators of the SU(2) symmetry), and and , so that the ground state breaks the SU(2) symmetry (see figure).
The ground state of the Higgs field (the bottom of the potential) is degenerate with different ground states related to each other by a SU(2) gauge transformation. It is always possible to pick a gauge such that in the ground state . The expectation value of in the ground state (the vacuum expectation value or VEV) is then , where . The measured value of this parameter is ~246 GeV/c2.[126] It has units of mass, and is the only free parameter of the Standard Model that is not a dimensionless number. Quadratic terms in and arise, which give masses to the W and Z bosons:[236]
with their ratio determining the Weinberg angle, , and leave a massless U(1) photon, . The mass of the Higgs boson itself is given by
The quarks and the leptons interact with the Higgs field through Yukawa interaction terms:
where are left-handed and right-handed quarks and leptons of the ith generation, are matrices of Yukawa couplings where h.c. denotes the hermitian conjugate of all the preceding terms. In the symmetry breaking ground state, only the terms containing remain, giving rise to mass terms for the fermions. Rotating the quark and lepton fields to the basis where the matrices of Yukawa couplings are diagonal, one gets
where the masses of the fermions are , and denote the eigenvalues of the Yukawa matrices.[236]
「放射ゲージ」条件∇⋅A( x ) = 0は明らかに共変的ではないため、すべてのローレンツ系で光子の横断性を維持したい場合、光子場A μ ( x )は4 次元ベクトルのように変換することはできません。これは、光子場が観測量ではないため、大惨事ではありません。観測量であるS 行列の要素は共変的な構造を持つことを容易に示すことができます。...ゲージ理論では、真空の非不変性のために対称性の破れが生じるように物事を整理することができますが、Goldstoneらの証明が破綻するため、ゼロ質量の Goldstone 中間子は出現する必要はありません。[原文の強調]バーンスタイン（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掲載されています。外部リンクを参照してください。
[Q] 素粒子物理学者はなぜヒッグス粒子にそれほど関心を持っているのですか?
[A] いや、実際にはそうではないんです。彼らが本当に気にしているのはヒッグス場です。なぜなら、それは非常に重要だからです。[原文強調]
The Higgs field: So important it merited an entire experimental facility, the Large Hadron Collider, dedicated to understanding it.
通常はスポーツの偉業に用いられる表現で、ニュース報道はこの発見を科学史における記念碑的なマイルストーンと表現した。
最も専門的なサークルでさえ、7月に発見された新しい粒子はまだ「ヒッグス粒子」とは呼ばれていない。物理学者たちは、その特性がヒッグス理論が予測するヒッグス粒子の特性と一致すると判断するまでは、まだそう呼ぶことをためらっている。
「スピンがゼロの素粒子はこれまで見たことがない」と、CERNの実験にも関わっているオックスフォード大学の素粒子物理学者、トニー・ワイドバーグは語った。
Earth will likely be long gone before any Higgs boson particles set off an apocalyptic assault on the universe
悪いニュースは、その質量から、宇宙は急速に広がる破滅の泡で終わると示唆されていることだ。良いニュースは？おそらく数百億年かかるだろう。この記事はフェルミ国立加速器研究所のジョセフ・リッケン氏の言葉を引用している。「ヒッグス粒子（およびトップクォークの質量）を含む宇宙のパラメータは、私たちが安定性の境界線上にあり、『準安定』状態にあることを示唆している。物理学者たちは30年以上もの間、このような可能性について考えてきた。1982年には、物理学者のマイケル・ターナー氏とフランク・ウィルチェック氏がネイチャー誌 に『予告なしに、宇宙のどこかで真の真空の泡が核生成し、外側へ移動していく可能性がある』と記している。」
[T]ヒッグス粒子の影響 (またはそれに似たものの影響) は、はるかに広範囲に及ぶ可能性がある。たとえば、ヒッグス粒子そのものでなくとも、ヒッグス粒子のようなものが、宇宙における他の多くの説明のつかない「対称性の破れ」の背後にある可能性がある... 実際、ヒッグス粒子に非常によく似たものが、宇宙を創造したビッグバンにつながった対称性の崩壊の背後にあった可能性がある。力が最初にその原始的な同一性から分離し始め、今日のような明確な性質を帯び始めたとき、水が氷になるときにエネルギーを放出するのと同じように、エネルギーを放出した。ただし、この場合、凍結には宇宙を爆発させるのに十分なエネルギーが詰まっていた。 …それがどのようにして起こったにせよ、教訓は明白だ。完璧さが打ち砕かれた時こそ、他のすべてが生まれるのだ。
Gilbert ... wrote a response to [Klein and Lee's paper] saying 'No, you cannot do that in a relativistic theory. You cannot have a preferred unit time-like vector like that.' This is where I came in, because the next month was when I responded to Gilbert's paper by saying 'Yes, you can have such a thing' but only in a gauge theory with a gauge field coupled to the current.
{{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archival service (link)Coleman は 1979 年に Science 誌に引用検索の結果を発表し、't Hooft の研究 (Ben Lee が解説) まで、Weinberg のノーベル賞受賞論文に基本的に誰も注目していなかったことを明らかにした。1971 年に Weinberg の論文への関心が爆発的に高まった。私自身も同様の経験をした。1970 年に Shelly Glashow から弱い相互作用に関する 1 年間のコースを受講したが、彼は Weinberg-Salam モデルや彼自身の貢献について一度も言及しなかった。
[A] global collaboration of more than 170 computing centres in 36 countries ... to store, distribute and analyse the ~25 Petabytes (25 million Gigabytes) of data annually generated by the Large Hadron Collider
It now links thousands of computers and storage systems in over 170 centres across 41 countries. ... The WLCG is the world's largest computing grid
the statistical significance is not large enough to say anything conclusive. As of today what we see is consistent either with a background fluctuation or with the presence of the boson. Refined analyses and additional data delivered in 2012 by this magnificent machine will definitely give an answer
科学者たちは初めて、主要な科学的発見の発表前、発表中、発表後のソーシャルメディアのダイナミクスを世界規模で分析することができた。De Domenico, M.; Lima, A.; Mougel, P.; Musolesi, M. (2013). "科学的ゴシップの解剖学" . Scientific Reports . 3 (2013): 2980. arXiv : 1301.2952 . Bibcode : 2013NatSR...3.2980D . doi : 10.1038/srep02980 . PMC 3798885 . PMID 24135961 .
Rolf Heuer, director of [CERN], said he is confident that "towards the middle of the year, we will be there."–Interview by AP, at the World Economic Forum, 26 January 2013.
'It's going to take another few years' after the collider is restarted to confirm definitively that the newfound particle is the Higgs boson.
フェルミラボでのLeeのICHEP 1972プレゼンテーションからの引用：「…これはヒッグス機構として知られています…」および「Leeの言い回し」 – この略記法の脚注による説明。
5月の
New York Review of Booksの
エッセイでこの混乱を認めた
。
（原文も参照）
1983年に米国エネルギー省が提案したSSCは、驚くべきプロジェクトである…この巨大な研究所…この巨大なプロジェクト
…この巨大な複合施設…
自身を超大型加速器の非公式な宣伝者と考えるレダーマンは、SSCは優秀な若手物理学者がヨーロッパなどで働くためにアメリカを離れるという物理学の頭脳流出を逆転させることができると述べた。
の主要なスポークスマンの 1 人である Lederman は、1960 年代に標準モデルの開発にノーベル賞に値する貢献をした (ただし、賞自体は 1988 年まで授与されなかった) 熟練した高エネルギー実験家であった。彼は、この加速器に関する議会公聴会の常連であり、その利点を遠慮なく擁護した。
次世代の大型加速器がヒッグス粒子を生成する可能性は、資金提供機関や政治家を惹きつけるためのニンジンとなった。著名なアメリカ人物理学者、レオン・レーダーマン[sic]は、1993年に出版された著書のタイトルでヒッグス粒子を「神の粒子」と宣伝した [...]レーダーマンは、米国政府に超伝導超大型加速器への資金提供を継続するよう説得するキャンペーンに関わっていた [...]レーダーマンの著書のインクが乾く前に、米国議会は既に費やされた数十億ドルを帳消しにすることを決定した。
初期の宇宙を考えてみよう。純粋で完璧な無の状態。分化されていない物質の形のない霧
[...] 「完全な対称性」
[...] この原始的な完璧さを打ち砕いたものは何か？原因の一つとして考えられるのが、いわゆるヒッグス場である。
[...] 物理学者のレオン・レーダーマンは、ヒッグス場の働き方を、聖書のバベルの物語（バベルの住民は皆同じ言語を話していた）になぞらえている。
[...] レーダーマンによれば、神と同様に、ヒッグス場は完全な同一性を区別し、皆（物理学者も含めて）を混乱させた。
[...] [ノーベル賞受賞者のリチャード・]
ファインマンは
、なぜ我々の住む宇宙がこれほど明らかに歪んでいるのか疑問に思った
。[...] おそらく、完全な完璧さは神にとって受け入れられないものだったのだろうと彼は推測した。そして、神がバベルの完璧さを打ち砕いたように、「神は法則をほぼ対称的なものにした」のだ。