ヒッグス粒子とは何か

ヒッグス粒子とは何か
高エネルギー加速器研究機構
阪村 豊
2012年12月15日（土） KEK公開講座
ヒッグス粒子とは？
ヒッグス粒子＝ヒッグス場に対応する素粒子
ヒッグス場 ＝ 対称性を自発的に破って、
素粒子に質量を与える場
1.
2.
3.
4.
5.
質量って何？
素粒子って何？
場って何？
対称性って何？
ヒッグス粒子って何？
質量って何？
物質の量を表す数値
地球上では重さのこと
地面
地球上以外では
質量 ＝ 重さ
質量
重さ
地球上
60kg
60kg
月
60kg
10kg
無重力
60kg
0kg
質量って何？
質量の別の決め方
動かしやすい
動かしにくい
止めやすい
止めにくい
慣性：速度を一定に保とうとする性質
質量＝慣性の大きさ
質量って何？
質量の決め方には2通りある。
重力質量：重力をもとにして決める
慣性質量：速度の変えにくさで決める
実験から、重力質量＝慣性質量
なぜこうなるのかはまだ分かっていない。
ヒッグス粒子が関係するのは慣性質量
素粒子って何？
素粒子って何？
• 物質を構成する最小要素
• それ以上分割できない粒子
原子
陽子
中性子
1億分の１センチメートル
原子の10万分の1
素粒子
素粒子って何？
• どんな種類の素粒子があるか？
電子、光子、クォーク、ニュートリノ、、、、
• 素粒子同士の間にどんな力が働くか？
電磁気力
重力
ヒッグス粒子に関係
弱い力
強い力
素粒子って何？
素粒子の標準理論
陽子、
中性子
を構成
電磁気力
強い力
ニュートリノ
弱い力
電子
第1世代
第3世代
第2世代
「場」って何？
「場」って何？
場： 空間の性質を表す量
例）電場 (電界)
＋
－
離れている粒子同士が直接引き合う？
粒子は電場を介して力を感じる。
粒子が止まっている場合はどっちでも同じ。
粒子が動いている場合には違いが出る。
「場」って何？
場： 空間の性質を表す量
例）電場 (電界)
＋
＋
－
－
時間がたつと
粒子は電場を介して力を感じる。
「場」って何？
粒子が振動していると、
電場
磁場
これが電磁波（電波、赤外線、光、紫外線、X線など）
波長の短い電磁波は粒子のように振舞い、光子と呼ばれる。
「場」って何？
粒子が振動していると、
電場
磁場
これが電磁波（電波、赤外線、光、紫外線、X線など）
波長の短い電磁波は粒子のように振舞い、光子と呼ばれる。
粒子＝「場」の振動による波
「場」って何？
電場や磁場以外にも様々な種類の「場」がある。
重力場のイメージ
光子＝電磁場の波
重力子＝重力場の波（未発見）
電子＝電子場の波
クォーク＝クォーク場の波
…
ヒッグス粒子＝ヒッグス場の波
粒子に働く力も粒子自身も「場」によって表される！
素粒子の理論は「場」で表される
「場」って何？
「場」を模式的にゴムでつながった玉で考えてみる。
ゴム
場の値
0
空間
全く振動していない状態＝エネルギーが最低
＝真空
「場」って何？
ゴムが伸びてエネルギー ＝粒子
が溜まっている
場の値
0
空間
「場」って何？
伸びたゴムは隣の玉を引っ張り、
次々と玉を動かしていく。
場の値
0
空間
「場」って何？
伸びたゴムは隣の玉を引っ張り、
次々と玉を動かしていく。
場の値
0
空間
「場」って何？
伸びたゴムは隣の玉を引っ張り、
＝粒子の運動
次々と玉を動かしていく。
場の値
0
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
「場」って何？
粒子の速度＝波の伝わる速度
空間
粒子の速度が一定＝ が一定のリズムで振動
粒子の速度を変える＝ の振動のリズムを変える
「場」って何？
下のような別のゴムがついているとする。
場の値
0
別のゴム
空間
緑のゴムが強力だと振動のリズムを変えにくくなる。
速度を変えにくくなる。
質量がある。（緑のゴムの強さが質量に対応する）
ヒッグス場は緑のゴムの役割を果たす。
対称性って何？
対称性って何？
対称
左右対称
軸対称
球対称
入れ替えたり、回しても変わらない
右と左を入れ替えても変わらない
物理学における対称性とは
入れ替えたり回しても物理法則が変わらないこと
風がない時
どの方角に投げてもボールは同じように飛んでいく。
＝この環境には回転対称性がある。
物理学における対称性とは
入れ替えたり回しても物理法則が変わらないこと
風がある時
風向き
投げる方角によってボールの軌道は違う。
＝この環境には回転対称性がない。
対称性って何？
対称性の自発的破れ
環境に元々あった対称性が
放っておくと勝手になくなること
南部陽一郎
対称性の自発的破れ
に関する研究で2008年
ノーベル物理学賞受賞
対称性って何？
対称性の自発的破れの例（磁石）
N
原子は小さな磁石
S
隣り合う原子は同じ方向を
向きたがる
N
温度が下がると
高温状態
低温状態
個々の磁石が打ち消し合って
全体では磁石の性質が消える。
特別な方向がない
＝（回転）対称性がある
S
個々の磁石の方向がそろい、
全体として大きな磁石になる。
自発的に破れる
特別な方向がある
＝（回転）対称性がない
対称性って何？
素粒子の世界での対称性
陽子 :
電子の約1836倍の質量、電荷 : ＋
中性子 : 電子の約1839倍の質量、電荷 : ゼロ
陽子と中性子を入れ替えても物理法則は
それほど変わらないのでは？
入れ替え
陽子
中性子
対称性って何？
素粒子の世界での対称性
陽子 :
電子の約1836倍の質量、電荷 : ＋
中性子 : 電子の約1839倍の質量、電荷 : ゼロ
陽子と中性子を入れ替えても物理法則は
それほど変わらないのでは？
uクォーク
入れ替え
陽子
つまり、
dクォーク
中性子
に対して対称性があるのでは？
対称性って何？
標準理論には下の入れ替えに対して対称性がある。
同時に入れ替える
対称性って何？
電子とニュートリノに対応する場を考える。
電子場の値
0
空間
ニュートリノ場の値
0
空間
対称性って何？
電子とニュートリノに対応する場を考える。
電子を表す
入れ替え
ニュートリノを表す
振動
振動
ニュートリノを表す
90°回転
電子を表す
振動
振動
対称性って何？
電子とニュートリノに対応する場を考える。
90°回転だけでなく、どんな回転をさせても
理論は変わらない。
電子を表す
ニュートリノを表す
振動
振動
対称性って何？
電子-ニュートリノ場の平面
模式図
どの方向にも振動できる。
空間
この時点で電子とニュートリノの区別はない。
ヒッグス場によって違いが生み出される。
対称性って何？
ヒッグス場の性質
磁石と似ている。 （磁力がヒッグス場の値に対応）
電子-ニュートリノ場の平面
電子-ニュートリノ場の平面
温度が下がると
高温状態
低温状態
ヒッグス場の値はゼロ
ヒッグス場がある方向
にゼロでない値を持つ
対称性がある
対称性がない
自発的に破れる
対称性って何？
ヒッグス場の性質
電子-ニュートリノ場
この方向の振動に対して
ゴムの役割をする。
空間
振動
振動
この振動に対応する粒子は質量を持つ
対応する粒子は質量を持たない
＝電子
＝ニュートリノ
対称性って何？
ヒッグス場の性質
同様に、ヒッグス場によって対称性が破れると
光子
W粒子
Z粒子
質量ゼロのまま
電磁気力
（遠くまで届く）
大きな質量を持つ
弱い力
（遠くまで届かない）
昔はこの２つの力に区別はなかった。
温度が下がると
電磁気力と弱い力という性質の違う力になった。
ヒッグス粒子って何？
ヒッグス粒子って何？
電子-ニュートリノ場の平面
ヒッグス場の値
0
空間
高温状態
ヒッグス場の値
0
低温状態
空間
これが真空の状態
ヒッグス粒子って何？
ヒッグス場
ヒッグス粒子
この距離が質量の起源
0
空間
ヒッグス粒子を作るにはゴムを伸ばさなければならない。
（エネルギーが要る。）
LHC
世界最大の
粒子加速器
まとめ
質量＝速度の変えにくさ
粒子＝「場」の振動による波
場の値
0
空間
ヒッグス場は緑のゴムの役割を果たす。
まとめ
ヒッグス場
この方向に対して
ゴムの役割をする。
電子場
空間
ニュートリノ場
ヒッグス粒子＝ヒッグス場の波
まとめ
電磁気力と弱い力は元々同じ力だった。
標準理論
違いを出す粒子
元々同じ粒子だった
付録
質量のある粒子の運動
緑のゴムはその場所での振動を続けようとする。
粒子
場の値
0
空間
質量のある粒子の運動
緑のゴムはその場所での振動を続けようとする。
粒子
場の値
0
空間
質量のある粒子の運動
緑のゴムはその場所での振動を続けようとする。
粒子
場の値
0
空間
質量のある粒子の運動
緑のゴムはその場所での振動を続けようとする。
粒子
場の値
0
空間
緑のゴムがない場合に比べて波の速度が遅くなる。
質量があると粒子の速度は遅くなる。
質量のある粒子の運動
粒子
場の値
0
空間
まとめると、
紫のゴムの強さ：粒子の最高速度（光速）を決める。
緑のゴムの強さ：粒子の質量に対応。
ヒッグス場は緑のゴムの役割を果たす。
波束
重ね合わせると