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ヒッグス・ボソン確認間近

ついに、物理学者たちは有名なヒッグス・ボソンを発見した

by Adrian Cho on 4 July 2012, 6:39 AM


二つのピーク。CMS(上)とATLAS(下)の両検出器は、光子の対へと崩壊するヒッグス・ボソンの証拠を、いわゆる質量プロットの中のピークという形で確かめる。二つのピークと他のデータの一致は発見を決定的なものにする。Credit: CMS and ATLAS collaborations

スイス、メイラン――待望の日々も終わりだ。今日、ここの欧州原子核研究機構(CERN)にある世界最大の原子破壊装置を動かす物理学者たちは、長らく探し求められてきたヒッグス・ボソン――素粒子と力の標準モデルにおける最後の欠けた一片で、すべての他の素粒子が重力を得る方法を説明する重要な鍵――を発見したと報告した。

この発見は48年前の予想の実現であり、顕著な知的偉業の記録だ。しかし物理学者が祝うさなかに、この発見によって原子破壊装置で発見できる新しい物理学は残っていないかもしれない、という不安が一部の人たちのあいだに起こっている。素粒子物理にとって、ヒッグスの発見は道の終わりになりうる。

このデータは大型ハドロン衝突型加速器(LHC)が出した。LHCは長さ27キロメートルの地下粒子加速器で、ジュネーヴの近くのフランス-スイス国境の下にある円形の装置だ。LHCは莫大なエネルギーで陽子同士をぶつけ合って粉砕し、新しい亜原子粒子を一時的に存在させる。陽子は、ATLASおよびCMSと呼ばれる、ヒッグスを待ち構える二つの巨大な粒子検出器の中で衝突する。それらの中で生成されたヒッグス・ボソンはすべて特定の組み合わせの粒子へと崩壊し、それを検出器が見ることができる。今日、ATLASとCMSの両チームはCERNでの特別セミナーでヒッグス調査の最新データを発表した。そして両チームとも本質的に明瞭なシグナルを確かめている。

たとえば、CMS検出器で研究に従事するおよそ3000人の研究者たちは2つの光子へと崩壊するヒッグスの明白なサインを確かめている。2つの光子のエネルギーから、物理学者たちはそれらの推定上の親粒子の質量を推測できる。そしてCMSの研究者たちが推測された粒子の質量のプロットを作ると、彼らはランダムな光子対によって生成された背景の上に飛び出る、明らかなピークを確認した(図参照)。そのピークは、125ギガ電子ボルト(GeV)の質量、すなわち陽子の質量の約133倍を持つ、ヒッグス様粒子の存在を知らせる。そうカリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者でCMSチームの広報担当のジョーゼフ・インカンデラは、CERNの満員の講堂で語った。

CMSの研究者たちは、Wボソンと呼ばれる粒子対や、Zボソンと呼ばれる粒子対に崩壊するヒッグスの証拠も確かめている、とインカンデラは報告した。それらの重い粒子は、光子が電磁力を伝えるのとまさに同じ方法で、弱い核力を伝える。さらに多くの既知の粒子の組み合わせへの崩壊を含め、ヒッグス様粒子が存在することに対する疑いはほとんど残されていない。ランダムな統計的変動がそのようなシグナルを作る可能性は、素粒子物理学者が公式な発見のためにを遵守すべき、任意の350万回に1回のレベル――いわゆる5シグマ標準偏差――よりほんの僅かだけ高い。

ATLASチームは光子対へと崩壊するヒッグスへの質量プロットに同様のピークを確かめた、とCERNの物理学者でATLAS実験の広報担当のファビオラ・ギアノッティは報告した。そしてATLASの研究者たちもZボソンなどの他の粒子の組み合わせへと崩壊するヒッグスを確かめた。合わせて、ATLASの研究者たちはのシグナルはちょうど5シグマの発見標準偏差になっている、とギアノッティは報告し、すぐに喝采を浴びた。

そしてセミナーの終わりで、物理学者は長いスタンディング・オベーションと歓声でこの結果を歓迎した。「我々はやったのだと思う。でしょ?」とCERN所長のロルフ・ディーター・ホイヤーは話した。エディンバラ大学(英国)の83歳の理論物理学者で、1964年にこのボソンの存在を予測し、このイベントに出席したピーター・ヒッグスは、「この実験に感謝したい。生きてるうちにこれを見るとは思わなかった」と話した。

物理学者たちはまだ、観測された粒子が正確に標準モデルが予測するような性質を持つかどうか、テストする必要がある、とキングス・カレッジ・ロンドンの理論物理学者、ジョン・エリスは強調した。たとえば、研究者たちはヒッグスが違った粒子の組み合わせへと崩壊する相対割合を、理論が予測する割合と比較しなくてはいけない。しかしこの粒子が予測された崩壊で最初に発見されたという事実は、標準モデルのヒッグスとてんででたらめに違うことはないことを示す、とエリスは認める。

それが本当にヒッグス・ボソンなら、この発見は何十年も前にヒッグスがなした予測を実現することになるだろう。ただし、他にもほぼ同時期に同じ基本的考えを発展させた人たちがいたが。それは素粒子物理学者たちによる一握りの有名な予測の中で最新のものになるだろう。たとえば1970年、理論物理学者たちはとチャーム・クォークと呼ばれる粒子の存在を予測した。1974年に、2人の実験物理学者たちが独立してその粒子を発見した。そのため、彼らは2年後にノーベル賞を受賞した。1968年、理論物理学者たちはWボソンとZボソンの存在を予測した。1983年に、それらの粒子も発見された。その場合、予測の背景となった理論が1972年にノーベル賞を受賞し、発見は1984年に同賞を受賞した。

ヒッグス・ボソンの予測と発見はWボソンおよびZボソンの発見と同じぐらい重要である、とオハイオ州立大学(コロンバス)の理論物理学者、スチュアート・レイビーは話す。「それは間違いなく同等であり、確実に同じぐらい根本的だ」と彼は話す。

素粒子物理学の標準モデルが完成した現在では、重要な疑問は、LHCやそれに続くもっと高エネルギーな原子破壊装置の手の届く範囲に新しい粒子はあるのか、ということだ。物理学者たちは、標準モデルの中の概念的な穴は、この理論が不完全であることを強く示唆すると話す。たとえば、標準モデルではヒッグスと他の粒子の間の相互作用は、ヒッグスの質量を1兆倍も大きな値に急上昇させなくてはならない。だがそれは起こっていない。だから、ほとんどの物理学者たちは、ある程度ヒッグスの質量の膨張を中和する、新しい粒子が他にあると推測している。

しかしそのような粒子は、考え得る人類の作る原子破壊装置で発見されるのに十分な低さの質量を持つのだろうか?「保証はまったくない」と、テキサス大学(オースティン)の理論物理学者、スティーヴン・ワインバーグは話す。彼はWとZの背景理論で、1972年のノーベル賞を共同受賞した。「私にとって悪夢なのは、私だけでなく我々[素粒子物理学者たち]の多くもそうだが、LHCがヒッグス・ボソンを発見して他に何も残っていないということだ」とワインバーグは話す。「それはドアが閉まるようなものだ」

しかしほとんどの物理学者たちは楽観的だと言っている。LHCがヒッグスを発見した以上、他のもっと驚く発見が起こるだろう。今のところ、ヒッグスの発見が夢の実現である。

元記事
Science NOW
At Long Last, Physicists Discover Famed Higgs Boson
by Adrian Cho on 4 July 2012, 6:39 AM
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