「神の粒子」の予言者Peter Higgsが物理学に残した大きな足跡

2024年4月12日

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ヒッグス粒子として知られる素粒子の名前の由来となったPeter Higgs教授が94歳で亡くなった。素粒子物理学、つまり物質の構成要素に関わる科学の分野で偉大な人物の一人であったことを考えると、彼は常に控えめな人物であった。

1964年、ロンドンからエジンバラ大学に着任して数年後、Higgsはアメリカの理論物理学者Philip Andersonの論文を読んだ。当時、物理学者は素粒子がどのようにして質量を持つのかについての理論を持っていなかった。(質量とは物体に含まれる物質の総量であり、重さとは物体に作用する重力の力である）。

Andersonの論文は、粒子が質量を持ちうることを示した。物理学における系、例えば2つの異なる素粒子が変化するとき、物理学者はそれを「対称性が破れた」と表現することがある。これは新しい性質の出現につながる。

スコットランドのハイランド地方を散歩していたとき、Higgsは一世一代のアイデアを思いついた。Andersonの論文で読んだ対称性の破れを、ゲージ粒子と呼ばれる重要な粒子群に応用する方法を思いついたのだ。それは、物質の構成要素がどのようにして質量を獲得するのかを説明することにつながるだろう。

同じ頃、他の2つの物理学者グループも同じ考えを持っていた：ブリュッセルのRobert BroutとFrançois Englert、そしてインペリアル・カレッジ・ロンドンのCarl Hagen、Gerald Guralnik、Tom Kibbleである。

余談

Higgsの貢献の重要な特徴は、彼がハイランドで解明した過程から残された新たな質量の粒子の存在を予言したことである。この粒子が後に彼の名前となる「ヒッグス粒子」である。

この対称性を破るメカニズムが「Higgs mechanism（ヒッグス機構）」と略されることがあるのは、Higgsにとって常に少し恥ずかしいことだったと思う。Higgsは常に、他のすべての人の貢献を指摘し、その呼び方を好んだ：「Anderson-Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble mechanism」。

その後数十年にわたり、素粒子物理学の理解に対するこれらの科学者たちの貢献がいかに重要であったかが明らかになった。素粒子衝突型加速器と呼ばれるいくつかの装置が、物理学の知識の限界を探るために建設された。

それらは、基本粒子（他の粒子に分解できない粒子）と力がどのように相互作用するかを説明するために最も広く受け入れられている理論、すなわち標準模型を探求し、テストした。そして標準模型は、ほとんどすべての条件下で成立することが証明された。粒子衝突型加速器によってまだ発見されていない、唯一欠けている要素は、Higgsによって予言された巨大な粒子であった。

ヒッグス粒子のとらえどころのなさに苛立ったノーベル賞物理学者Leon Ledermanは、ヒッグス粒子に「Goddamn（ちくしょう）粒子」という新たな呼び名を与えた。その後、この呼び名は「神の粒子」と短縮された。

Higgsと彼の同僚が正しかったという証拠を見つけるには、48年の歳月と史上最大の装置である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が必要だった。LHCを運営するCERNは2012年7月4日、物理学者がこの粒子をほぼ確実に発見したと発表した。

CMS Higgs event — (Credit: Lucas Taylor / CERN)

さらに実験が進み、これがHiggsが予言した粒子であることが確認された。しかし、2013年10月にノーベル物理学賞が発表されるとき、Higgsは電話のそばにいる代わりに散歩に出かけた。

自然界の「第5の力」

ヒッグス粒子の発見から10年以上が経とうとしている。（ほぼ）誰もが信じている理論があるのと、それが実際に自然を正しく記述しているという証拠がようやく得られたのとでは、大きな違いがある。

実際、Higgsと彼の同僚たちが世界に何をもたらしたのか、私たちがまだ完全に理解しているかどうかはわからない。それは、湯川相互作用と呼ばれる、これまで見られなかった粒子間の新しい相互作用の発見である。これは本質的に、重力、電磁気力、強い核力、弱い核力を補完する自然界の「第5の力」である。

しかし、解決すべき疑問は他にもたくさんある。宇宙のうち、目に見える物質でできているのはわずか4％。残りはダークマター（暗黒物質）とダークエネルギー（暗黒エネルギー）である。ヒッグス粒子が宇宙の安定にとって重要であるという理論計算さえある。

CERN評議会は、LHCの後継となる未来型円形加速器（Future Circular Collider）と呼ばれるマシンの建設に向けた実現可能性調査の進捗状況を検討したばかりで、もし承認されれば、宇宙の本質に関する多くの未解決の疑問に答えることを目的としている。私は、衝突型加速器のデータのどこに答えを求めるべきかを知っている。それはヒッグス粒子だ。

本記事は、Harald Fox氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Peter Higgs was one of the greats of particle physics. He transformed what we know about the building blocks of the universe」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。