ヒッグス粒子は宇宙の謎を解くのにどのように役立つのでしょうか?

2012 年、科学者たちは量子物理学の最大の発展の 1 つであるヒッグス粒子の発見を報告しました。ヒッグス粒子は、ヒッグス場の力を伝え、他の粒子に質量を与える役割を担う基本粒子です。 ヒッグス場の存在は、60 年代半ばに物理学者ピーター ヒッグスによって初めて提案されました (場と粒子の名前は両方とも彼の名前にちなんで付けられています)。 悲しいかな、2024 年がこの傑出した科学者の生涯最後の年となりました。4 月 8 日、ピーター・ヒッグスはエディンバラの自宅で 94 歳で亡くなりました。 しかし、彼の前例のない功績は、これまでの発見とは比べものにならないほど、素粒子物理学の将来に大きな影響を与え続けています。 さらに、ヒッグス粒子の現在の測定が正しければ、宇宙は現在の状態では不安定であることになる。 これは言い換えると、宇宙物理学と素粒子物理学の両方に関する既存の知識をすべて再考する必要があることを意味します。 さて、この記事で説明する新しい発見は、火に油を注ぐだけです。

ATLAS と CMS の共同研究によるヒッグス粒子の発見は、ヒッグス場の秘密とその可能性を解明する上で重要な役割を果たしました。 多くの科学者は、「新しい物理学」がすぐそこまで来ていると信じています。

ヒッグスの遺産

イギリスの物理学者ピーター・ウェイド・ヒッグスは1929年生まれ。 当時、物質と宇宙についての理解はまったく異なっており、物質の主要なモデルでは、基本的に分割できない粒子は陽子（原子核内にある）、電子（周囲の陽子）、光子（光の粒子）の 3 つだけであると述べられていました。電磁相互作用を担当します）。

ヒッグスの生涯の間に驚くべき革命が起こり、創造が頂点に達しました。 素粒子物理学の標準模型 – 宇宙の構造を理解するための歴史上最も成功したシステム。 しかし、科学史上最大の発見の一つに至るヒッグスの道のりは険しいものでした。 物理学者は、理論的予測が確認されるまで、人生の半分以上を待ちました。

ピーター・ヒッグスはイギリスの理論物理学者であり、エディンバラ大学の教授です。 ノーベル物理学賞受賞者。 画像: dzeninfra.ru

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ヒッグス博士は 1964 年に他のすべての粒子に質量を与えることができる粒子が存在するという考えを表明しましたが、その存在が最終的に確認されたのは 2013 年の大型ハドロン衝突型加速器でのことでした。 同年、英国の科学者はノーベル物理学賞を受賞し、彼の名にちなんで名付けられた粒子は世界的に有名になりました。

ヨーロッパの素粒子研究機関であるCERNはヒッグス粒子の発見を鳴り物入りで発表した。 しかし、ヒッグス自身はこれに困惑しているようで、他の多くの科学者が理論に貢献し、同様の考えを表明していることを常に強調していました。 それは言う 訃報で。

最初のヒッグス論文は 1964 年にジャーナル Physical Review Letters に発表され、新しいタイプの巨大ボソン (亜原子粒子の一種) について報告されました。 当時、他の理論家も同じ方向に研究していましたが、今では有名な「神の粒子」は理論上のみ存在していました。

ヒッグスは、対称性とその破れ方についての数学的考え方を用いて、質量のない粒子がどのようにして質量を獲得できるかを説明しました。 画像: www.cnet.com

ヒッグス粒子を思い出してください ヒッグス場に関連する1966 年にヒッグスによって報告されたように、電子やクォークなどの他の粒子に質量を与えます。 もし当時ヒッグス場が発見されていれば、科学者たちは標準モデルが一貫した自然理論であることを証明したでしょう。 しかし、ヒッグス粒子の探索は極めて困難な作業であることが判明した。 科学者自身も、この問題は自分が生きている間には解決されないと信じていた。

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「神の粒子」の固有特性

したがって、今日私たちが知っているように、宇宙はヒッグス粒子のユニークな特性に基づいています。 物質の固体、液体、気体の状態と同様に、ヒッグス場は宇宙の相に対応しており、ヒッグス粒子と他の粒子との相互作用を測定することで決定できます。

発見以来 10 年間で、これらの相互作用の多くが LHC で検出されました。 これらの結果により、新たな疑問が生じました。 宇宙の安定性、つまり現在の状態をほぼ永久に維持できるかどうかは、ヒッグス粒子の質量と相互作用に依存しているようです。

ヒッグス場は原子のサブ粒子と相互作用します。 画像: media.licdn.com

Если текущие измерения этой частицы верны, Вселенная попросту нестабильна, а значит что в какой-то момент она может перейти в другую форму. Ответы, поиском которых сегодня занимаются ученые, могут доказать ошибочность Стандартной модели.

物理学者はまた、標準模型が予測するように、ヒッグス場が素粒子のすべての質量を本当に説明できるかどうかを理解したいと考えています。 ヒッグス粒子のまれな崩壊については、 以前話した、その場合、研究者はそれらが崩壊して他のどのような粒子になるかをまだ見つけることができません。

亜原子粒子の複雑な絡み合いを最終的に理解するために、ヨーロッパ、米国、中国の科学者は、ヒッグス粒子の研究に焦点を当てた新しい素粒子衝突型加速器の構築に取り組んでいます。 傑出した科学者の遺産は、 21世紀素粒子物理実験プログラム。

ピーター・ヒッグスは別の時代から来た男です。 画像: habrastorage.org

ヒッグスは異なる時代の物理学者であることに注意する必要があります。 今日では、彼のような実績を持つ人物が学術界に留まることができると想像することはほとんど不可能です。彼が発表した論文はほんの数本で、そのほとんどすべてを一人で執筆しました。 これは、現代の学術環境が熾烈な競争の上に構築されており、科学者はできるだけ頻繁に論文を発表することを強いられているためです。

今日の環境では、1964 年に私がしていたことをするのに十分な平和と静けさがあったとは想像しにくいです…今では学術的な仕事に就くこともできないでしょう…私が十分に生産的であるとは考えられないと思います、 – 言った 2013年のインタビューでのヒッグス氏。

対称性と新しい実験

科学的な発見（特にブレークスルー）には時間がかかるため、宇宙の構造と宇宙についての理解の完全な改訂について話すのはやや時期尚早です。 しかし、標準模型を修正する理由はまだあります。ヒッグス粒子はヒッグス場の「自発的対称性の破れ」の結果の 1 つにすぎず、他の同様の粒子が存在する可能性があることを意味します。

これらの追加のサブ粒子は、相互作用したり、ヒッグス粒子と相互作用したりすることができます。 それらの存在が実験的に確認できれば、科学者はおそらく宇宙における物質と反物質の不均衡を説明できるでしょう。

宇宙は謎に包まれています。 画像: symmetrymagazine.org

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最近、ATLAS 共同研究の科学者らは、 出版された 標準模型ヒッグス粒子 (H) と相互作用する可能性のある 2 つの新しいヒッグス粒子 X と S の検索結果。 S ボソンは b クォークに崩壊し、H ボソンは光子に崩壊すると仮定されています。

したがって、これらの崩壊生成物の一定の質量を使用して、対応するボソンの質量を復元できます。 書く 科学的著作の著者。

物理学者は仮説上のヒッグス粒子の質量を知らないため、パラメータ化ニューラル ネットワーク (PNN) に注目しました。この方法により、X および S の質量の範囲を詳細に研究できるだけでなく、新しいボソンが発見された場合、その質量についての明確なアイデア。

質量(m_X、m_S)に応じた標準モデルのバックグラウンドプロセスの超過の局所観測値。 画像: ATLAS コラボレーション/CERN

もちろん、どれも非常に難しいことですが、将来を見据えると、
新しい解析で検討されたモデルは、標準モデルを超えた新しい物理現象を発見する有望な機会であると言えます。 LHC の 3 回目の実行中に収集されたデータと衝突型加速器でのさらなる研究により、ヒッグス粒子と宇宙の謎の両方にさらに光が当たるでしょう。