高エネルギー加速器科学研究奨励会
平成２４年１０月５日“ヒッグス粒子”の発見が物語ること

磯 暁
高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/5

1

ヒッグス（と思われる）粒子の発見
2012年は素粒子物理学にとって記念すべき年

感涙にむせぶヒッグス博士

アトラス検出器

7月4日のヒッグス粒子の発見を報じるスライド

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/5

2

ヒッグス粒子とは何か？

粒子であり、そして粒子以上の存在[ I ] 標準模型で最後まで未発見だった粒子

ヒッグス =[ II ]. 真空を支配する役割
自発的対称性の破れを引き起こし標準模型の真空を決める↓
電子やクオークに質量を与える[ III ]. 標準模型を超えた物理への窓口

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/5

3

[ I ]. (スカラー)粒子としてのヒッグスの発見「標準模型」の素粒子の分類
スピン

粒子の種類

役割

½

電子、クオーク物質

光子,W、 Z ボソングルーオン

ゲージ力を媒介(ゲージ粒子）

ヒッグス

真空を決めるフェルミオン

1
ベクトル
ボソン

0
スカラー

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/54

LHC

大型ハドロンコライダ @ CERNP

P

現在: 8 TeV ( 4 +4 )2015: 14 TeV (7 + 7 )二つの実験グループ.

ATLAS

CMS

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/55

小さな世界を見るためには大きなエネルギーが必要なぜか？
量子力学の不確定性関係+ 相対性理論 ΔE = Δp c

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/56

原子分子eV  2000 Å
原子核（核子） 200 MeV  1 fm
電弱相互作用100 GeV  0.002 fm
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/5

7自然界のスケールの階層性
10-36m

10-28m10-12m原子・分子

ヒ原ッ子
グ核ス強（い電力弱）力） 200 MeV(プランク
物大理統（一量理子論重 16
力 10 GeV）
1018GeV

10-20m

10-4m 1m
暗黒エ
ネル
ギー

104m

1012m

地球の大
きさ

太陽系

1020m

銀河

10-3 eV

1028m
観測
可能な
宇
宙の大
き
さ

100 GeV

加速器実験

アインシュタイン方程式

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/58

2012年7月4日 “ヒッグス粒子”の発見.
質量 ( = エネルギー E=mc2 )MH ~ 126 GeVATLAS H  2 gamma

CMS H  2 gamma
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/59

[ II ]．真空を支配するヒッグスの役割

ヒッグス場は姿を見られず闇の世界で、宇宙を支配する||

エーテルの非存在と矛盾なく「凝縮」することで真空の性質を決める。
「凝縮」＝水が氷になるようなもの

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/510

ヒッグスポテンシャル

ポテンシャルの最低値

自発的対称性の破れ

ヒッグス粒子

この値は、ヒッグス発見以前から知られていた！

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/5

11

ヒッグス場の凝縮の帰結

素粒子に質量を与える

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/512質量とはネバネバ？

ＮＯ

自然は運動を嫌う

自然は変化を嫌う

アリストテレス

ガリレオ・ガリレイ
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/513質量とは何か

粒子の伝搬
質量のない場合質量がある場合同時空点での混合(足踏み状態）
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/5

14

ヒッグス場の凝縮の帰結
1. ゲージ粒子に質量を与える
Ｗ、Ｚボソン（質量をもたない）は弱い力を媒介する。
ヒッグス凝縮.

ゲージ結合

超伝導のマイスナー
効果と同じ

Ｗ、Ｚボソンに質量を与える。

g2MW~gv~80GeV

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/515

ヒッグス場の凝縮の帰結

2. 物質（クオークや電子）に質量を与える「電子」は、もともと二つの異なる質量をもたない粒子、左電子と右電子からできていた。
左電子と右電子が、ヒッグス場の凝縮で、混じり合う。

湯川結合

電子が質量をもつ

eL eR

H

YeReL

Y
me~ Yv ~0.5 MeV.
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/516

ヒッグス場の凝縮の帰結

ヒッグスは、左電子と右電子の仲人

eLeR

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/517

ヒッグス場の凝縮の帰結

3. ヒッグス粒子自身も質量をもつ

λヒッグス粒子ヒッグス
自己結合
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/518

全ての粒子の質量はヒッグス凝縮の値に比例している (例外：ニュートリノ)

電弱スケールYq: 物質ｑの湯川結合の強さクオーク

u2 MeV

c1.27 GeVt 171 GeV

d5 MeVs104 MeV

b 4.2 GeV

ニュートリノνe< eVνμ荷電レプトン

電子 0.5 MeV μνττ 1.8 GeV106 MeV

湯川結合の起源を人類は知らない
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/519

ヒッグス質量の重要性λに対する初めての証拠(ポテンシャルの形)

もっと高次項は？
ヒッグス粒子ヒッグスポテンシャルの起源を、人類は知らない

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/520

神様（自然）はどのようにポテンシャルの形を決めたのか?

ヒッグス粒子磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/521

ヒッグス粒子の発見は、新粒子の発見にとどまらず、真空を決める手がかりになる→ ヒッグスの発見は、終わりではなく新しい素粒子論の始まりである
ポテンシャルの詳細を知ることが重要（ＩＬＣの重要性）

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/522ポテンシャルにまつわる不思議
1. 階層性問題 (質量項 μの安定性 )暗黒energy

原子分子

強い力

大統一

ヒッグス

量子重力

910-3 100 103 106 10 1012 1015 1018 1021 1024 1027 eV

MeV GeV TeV1018 GeV

強い力のエネルギースケールが安定な理由は知っている。
しかし電弱スケール（ヒッグス質量）がなぜ安定なのか
人類はまだ知らない ＝ 階層性問題
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/523

ポテンシャルにまつわる不思議
2. 真空の安定性( λ 項)  Vの起源
力の強さは、エネルギースケールに依存する（真空偏極効果）
電気力

強い力
ランダウ
増幅

色電荷の閉じ込め

漸近
自由性

電荷の（プラズマ）遮蔽

電荷の反遮蔽
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/524

ヒッグス4点力 λのエネルギー変化

λプランクスケール(量子重力スケール）
でなぜか力が消えている
とても不思議(偶然か？）

電弱スケールと量子重力を結びつけるヒント？？

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/525

真空を支配するヒッグス場

ほんの少しその姿が見え始めている
しかし、まだ謎だらけ
背後には、どんな世界が広がっているのか
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/526

まとめ

ヒッグス粒子の発見粒子であるが粒子以上

１. 自発的対称性の破れを引き起こし、標準模型の「真空構造」を決める → 質量を与える↓
ヒッグス粒子との結合力の強さを調べる（ＩＬＣ）

２. 標準模型を超えた物理への窓口（Ｂファクトリなどとの連携の必要性）
３．わかっていないこと（理論への挑戦）
ヒッグスポテンシャルの起源と安定性
結合力の起源背後にある未知の物理
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/527

素粒子物理学は7月4日
新たな「革命時代」に入った
理論家にとって電弱スケール、暗黒エネルギーを理解するパラダイム・シフトが必要
実験家にとって新たな方向性を見つける手がかりが重要→ ＩＬＣの重要性

磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/528

本日、覚えて頂きたいこと

何故小さな世界を見るのに大きな加速器が必要なのか
真空の性質はヒッグスの凝縮に支配されている
磯 @ 加速器科学研究奨励会

2012/10/529