ヒッグス粒子

概要

ヒッグス粒子（Higgs boson）は、素粒子物理学の「標準模型」を構成する素粒子のひとつであり、宇宙における質量の起源を説明する理論的枠組みの中心に位置する。

1964年、英国の物理学者ピーター・ヒッグス（Peter Higgs, 1929–2024）らは、素粒子に質量が生じるメカニズムを場の量子論で定式化した。この理論は「ヒッグス機構」と呼ばれ、宇宙空間全体に「ヒッグス場」が満ちており、素粒子がこの場と相互作用することで質量を獲得すると説明する。

2012年7月、欧州原子核研究機構（CERN）がジュネーブ郊外の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を用いてヒッグス粒子の存在を実験的に確認した。48年越しの予言の実証を受け、2013年にヒッグスとフランソワ・アングレールがノーベル物理学賞を受賞した。

標準模型に登場する素粒子のほとんどは、対称性の観点からいえば本来質量を持てない。光子（フォトン）が質量ゼロで光速で飛ぶのに対し、電子やクォークが質量を持つのはなぜか——この問いへの答えがヒッグス機構である。

宇宙がビッグバン後に冷却される過程で、ヒッグス場は「自発的対称性の破れ」を起こし、真空が特定の値（真空期待値）を持つ状態に落ち着いた。この状態のヒッグス場の中を素粒子が進むとき、素粒子の種類に応じた「抵抗」を受ける。この抵抗が慣性質量として現れる。

ヒッグス場の量子的な振動が粒子として現れたものがヒッグス粒子である。質量は約125ギガ電子ボルト（GeV）——陽子の約133倍に相当する。

ヒッグス粒子は非常に短命で、生成後ただちに他の粒子へ崩壊する。直接観測ではなく、崩壊生成物のパターン（シグネチャー）から存在を推定する手法が用いられた。

CERNのATLAS実験とCMS実験は、それぞれ独立にデータを蓄積・解析し、2012年7月4日に「5シグマ（統計的偶然の可能性が350万分の1以下）」の水準で発見を宣言した。この水準は素粒子物理学における「発見」の公式基準である。

LHCは周長27キロメートルのリング状加速器で、陽子を光速に近い速度まで加速して衝突させる。1秒間に約6億回の衝突が起きる環境から、ヒッグス粒子の痕跡を探し出す作業は、膨大なデータ解析と計算機科学の融合によって実現した。

原典: Peter Higgs, “Broken symmetries and the masses of gauge bosons”, Physical Review Letters, Vol. 13, 1964
解説: 村山斉『宇宙は何でできているのか』幻冬舎新書、2010
解説: 大栗博司『強い力と弱い力』幻冬舎新書、2013
報告: ATLAS Collaboration, CMS Collaboration, “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV”, Physics Letters B, 2012