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ノーベル賞 ヒッグス氏ら物理学賞 「神の粒子」を予言

 ヒッグス粒子がないと宇宙には陽子や原子も生まれず、地球や人類も存在できないとされる。ヒッグス氏は一九六四年、南部陽一郎・米シカゴ大名誉教授(92)=〇八年ノーベル物理学賞=が提唱した「自発的対称性の破れ」の理論を発展させて、宇宙を満たすヒッグス粒子の存在を予言した。
 宇宙誕生の直後、全ての粒子は質量を持たずに光速で飛び回っていたが、水あめのようなヒッグス粒子の抵抗で遅くなり、重さを持つようになったと考えられている。
 自然界の基本理論である「標準理論」は、物質を構成するクォークなどに計十七種の粒子が存在すると予想していたが、ヒッグス粒子の発見で全てがそろい理論が完成した。



標準理論

ヒッグス粒子のなぞ

ヒッグス粒子の見つけ方

7 月 4 日,CERN(欧州合同原子核研究機関)は,極めて重い新粒子を発見したと発表しました。その質量は約126Gev。陽子(水素イオン)の質量のおよそ 130 倍,セシウムやバリウム原子に匹敵する巨大な粒子で,素粒子の標準理論におけるヒッグス粒子の可能性が極めて高いと考えられています。

星の核反応や超新星の爆発ではさまざまな高エネルギーの粒子が作られます。これらが,地球にやってきたものを「宇宙線(一次宇宙線)」と呼んでいます。これらはものすごいスピードでやってくるので,寿命が短くても壊れる前に地球に到達できるというわけです。これらの粒子が,地球の大気にぶつかって,再度さまざまな粒子をシャワーのように発生させます。これらも宇宙線(二次宇宙線)と呼んでいます。

ヒッグス粒子は,極めて超高温,宇宙ができたときくらいの超高温のときでしかできません。もし,超新星の爆発の際にできたとしても,寿命が極端に短いので宇宙線の中に見つけることはできないでしょう。

宇宙ができた直後くらいの超高温状態を人工的に作り出します。

粒子と粒子を超高速でぶつけます。

ぶつかった場所に大きなエネルギーが集中し,超高温状態になります。

ヒッグス粒子の特徴的な壊れ方に,「ガンマ線2本」への崩壊があります。

「ガンマ線2本」のエネルギーの和は,崩壊前の粒子の持っていたエネルギーです3。つまり,この粒子の
質量がわかる。この値が既知の粒子の質量と異なっていれば,「新粒子発見」となるわけです。

126GeV4のあたりにこの線からずれたこぶがありますね。このこぶが本当にピークであれば,そこに粒子があります。アトラス実験グループは,昨年から半年かけてデータをさらにたくさん集め,確かにこれがピークであると判断し,「未知の新粒子発見」となったわけです。

CERN の年間予算は 1000 億円。研究者数は 1 万人以上に上ります。14 年の歳月をかけ日本を含む世界中の企業が最先端かつ最高の技術で作られた LHR は,その中核をなす装置です。その消費電力は 23 万 KW,宮城県全体の消費電力の10 分の1以上に匹敵します5。






質量の98%は「南部氏の理論」で説明 ヒッグス粒子のヒントにも

ヒッグス粒子のアイデアも南部名誉教授の「自発的対称性の破れ」がたたき台になっている。

万物の質量の起源とされるヒッグス粒子だが、実は同粒子で生まれる質量は物質全体の2%にすぎない。物質を分子、原子、原子核、陽子や中性子と細かく分割していくと、最後にはクォークと呼ぶ素粒子に行き着く。6種類あるクォークは宇宙誕生の大爆発であるビッグバンの直後、みな光の速さで飛び回っていた。宇宙が冷えてくると、クォークにブレーキをかける力が生じ、質量を獲得した。これはヒッグス粒子の働きによるものだ。

クォーク3個分の質量は陽子や中性子の質量のわずか2%にしかならない。他にも質量を生み出す仕組みが必要になる。それを説明するのが南部理論だ。

質量は粒子の「動きにくさ」で説明される。ヒッグス粒子は宇宙誕生時に水蒸気のように真空を満たしていたが、1000億分の1秒後に水や氷のような状態に変化した。「相転移」と呼ぶ現象で、光の速さで動いていた素粒子はヒッグス粒子と衝突して抵抗を受けるようになった。この動きにくさが質量として観測される。

南部名誉教授がこの理論を考えたきっかけは超電導現象だった。ある物質を非常に低い温度に冷やすと電気抵抗がゼロになる。これは、電子が2つ対となって固まることで相転移を起こし、周囲の原子の電気的な影響を受けなくなるためだと説明される。

磁石にN極とS極が発生することも、同様のメカニズムで説明できる。磁石を形づくる個々の粒子には、それぞれ小さな磁石としての性質がある。熱く熱せられた状態では、小さな磁石はバラバラな向きを向いている。それが冷えてくると、相転移によって隣り合った磁石同士が同じ方向を向こうとするようになり、やがて全体の向きがそろって固定されて磁石になる。いずれもきっかけは対称性の自発的な破れだ。

南部名誉教授はこの考え方を素粒子の世界にも応用できることに気づいた。「電気抵抗がゼロ」になることと「真空中の抵抗によって質量が生じる」ことは正反対に見えるが、同じ考え方で説明できる。大阪大学の花垣和則准教授は「物性物理のアイデアを素粒子に当てはめようとしたことが驚き」と評価する。






ヒッグス粒子ってなんだろう?

ビッグバン直後の熱い宇宙では、すべての素粒子は現在の光(光子、フォトン)と同様に質量のない状態でした。この世界ではみんながみんな、光と同じ速度で運動していて、止まることもできない世界です。

そんなスピード狂な世界も、そう長くは続きません。宇宙はどんどん膨張していき、それにしたがって温度がどんどん低くなっていきます。

そしてビッグバンから10^(-10)秒後、宇宙の温度が1000兆度に下がったとき、「相転移」という現象が起こります。

温度が100兆度よりも高い時には、ヒッグス粒子(場)に満たされた宇宙は相転移がまだ起きておらず、ヒッグスは素粒子に「くっつく性質」と「はなれる性質」の両方がバランスします(下の絵の左側)。これに対して温度が低くなっていき宇宙の相転移が起きると、ヒッグスは偏った性質、「くっつくだけの性質」を持つようになるのです。

このように温度が下がった相転移後の宇宙では、ヒッグスにまとわりつかれた素粒子は運動しにくくなります。つまり、ヒッグスに絡まれた素粒子は光の速さより遅くしか運動できなくなります。このヒッグスにまとわりつかれやすさ、これが「質量」のはじまりなのです。



分かったようで分からないですが、これで皆さん納得なのでしょうか。

(超)高温だと反応が上がり果ては光速にまでなってしまうというのは理解できなくもないのですが、

温度が下がってもやっぱり光速。ただ一つの粒子ヒッグス粒子のみ影響を受けるというのが理解できない。

これは証明されているのでしょうか。

あとこの理論ですと、ビッグバン以降宇宙は広がり続けているそうですが、

宇宙に敷き詰められているヒッグス粒子は宇宙の膨張と共に増え続けているということでしょうか。

ヒッグス場入門

もう一つヒッグス粒子は高温で他の粒子に干渉せず、

低温になると他の粒子に干渉する=質量を持つと解されますが、

では宇宙の膨張が進みより低温になったら更なる相転移が起きるのでしょうか。

よりくっつく安くなる?

ということはやはり宇宙の縮小が始まる?


http://youtu.be/2UXWOe33x1I
http://youtu.be/_KZ0rwZDJ04
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