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物理学者は希少なヒッグス ボソン対を探索し、新しい物理学を生み出す可能性がある

新しいフロンティアを探求することを熱望している素粒子物理学者にとって、ヒッグス粒子の発見はほろ苦い勝利になりました。 2012 年に世界最大の原子粉砕機である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) で検出されたこの長い間求められていた粒子は、基本的な粒子と力の標準モデルの最後のギャップを埋めました。しかし、それ以来、標準モデルはすべてのテストに耐え、新しい物理学のヒントは得られませんでした.現在、ヒッグス自体が行き詰まりから抜け出す方法を提供している可能性があります。スイスのジュネーブに近いヨーロッパの素粒子物理学研究所である CERN にある LHC の実験者は、ヒッグス ボソンを 1 つだけでなく 2 つ生成する衝突を探すこ​​とを計画しています。これらのまれな二重ヒッグス イベントが予想以上に多く発見されれば、標準モデルを超えた粒子や力が示される可能性があり、宇宙における物質と反物質の不均衡の説明に役立つ可能性さえあります。

「これは次の大きな出来事です」と、ニューヨーク州アプトンにあるブルックヘブン国立研究所の理論家であり、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所 (Fermilab) で先週ワークショップを主催した Sally Dawson は言います。 100 人の物理学者が集まり、長い探索に必要な概念ツールを磨きました。

ヒッグス ボソンは標準モデルで特別な役割を果たします。標準モデルでは、電磁気力と弱い核力と強い核力という 3 つの力を介して 12 種類の粒子がどのように相互作用するかを説明しています。 (理論には重力が含まれておらず、大きな欠点があります。) モデル内の力は、特定の数学的対称性から生じます。しかし、その計算は、粒子が質量から始まらない場合にのみ機能します。そのため、質量を持たない粒子自体の間の相互作用を通じて、何らかの方法で質量が発生する必要があります。

そこでヒッグスの出番です。物理学者は、真空中に潜むヒッグス粒子によって生成されたヒッグス場 (電場に少し似ています) が空間にあると考えています。粒子はフィールドと相互作用してエネルギーを獲得し、アルバート アインシュタインの有名な方程式 E=mc, 質量.

このヒッグス機構は 6 年前、LHC によって供給される 2 つの最大の粒子検出器であるトロイダル LHC 装置 (ATLAS) とコンパクト ミューオン ソレノイド (CMS) を使って作業している実験者が、重さの 133 倍の重さのつかの間の粒子を存在させたとき、大きな支持を受けました。陽子くらい。それは、ヒッグスが想定されている方法で崩壊します。たとえば、光子のペアになります。しかし、物理学者は、標準モデルのヒッグス粒子を観測したのか、それとも微妙に異なるものを観測したのか確信が持てません.

二重ヒッグス イベントは、ヒッグス場がそれ自体とどの程度強く相互作用するかを明らかにすることによって、確実に伝える方法を約束します。周囲に電荷がなければ電場は消滅しますが、ヒッグス場は常に真空にとどまらなければなりません。さもないと、他の粒子に質量を与えることができなくなります。標準モデルは、ヒッグス場がそれ自体と相互作用し、消滅するのではなくゼロ以外の強度を取ることによってそのエネルギーを最小化することで、これが起こると想定しています。

数学的には、このようなスキームを作成する方法はたくさんありますが、標準モデルでは、1 つのパラメーターだけで制御される最も単純な方法を採用しています。次に、そのパラメーターは、ヒッグス対が粒子衝突で出現する速度を予測し、物理学者に標準モデルをテストする方法を提供します.

課題は、非常にまれな崩壊を見つけることです。標準モデルでは、1 つのヒッグス ボソンを生成する LHC での 10,000 回の陽子-陽子衝突ごとに、およそ 6 回でペアが生成されると予測されています。これらの二重ヒッグス イベントは、他の粒子の乱雑なシャワーを生成し、識別をさらに困難にするはずです。 LHC は、おそらく約 1000 のダブル ヒッグス イベントをすでに生成していますが、ATLAS と CMS は、バックグラウンドから信号を選別することにまだ近づいていません.

しかし、LHC の実験者は、特にヒッグス粒子を発見する技術が向上しているため、その可能性について楽観的であると述べています。先月、彼らは、ヒッグスがボトムクォークと呼ばれる巨大な粒子のペアを生成する、特に乱雑な崩壊モードを検出した証拠を発表しました。二重ヒッグス探索では、この最も可能性の高い方法で崩壊するペアの少なくとも 1 つのヒッグスに依存しているため、これは良い兆候です。

LHC の実験では、信号を確認するのに何年もかかる場合があります。今年後半、LHC はアップグレードのために 2 年間アイドル状態になります。 2026 年には、衝突率を高めるためにさらに 2 年間休止します。その後、いわゆる高光度 LHC は 2034 年まで実行されます。紙の上では、標準モデルの予測を検証するのに十分なデータが得られるのは完全な実行だけです。しかし、一部の物理学者は、ヒッグス観測アルゴリズムが改善され続けているため、そのタイムテーブルを超えることができると考えています。 Fermilab の CMS メンバーである Caterina Vernieri は、「高光度 LHC の前でさえ、標準モデルの予測に近づくことができたと思います。」

もちろん、すべての LHC 実験者は、ダブル ヒッグス イベントの発生率が標準モデルの予測を超えることを望んでいます。 CERN の理論家である Eleni Vryonidou は、非常に高くすることはできず、観測されたヒッグス崩壊からの間接的な制約に遭遇する可能性があると述べています。それでも、2 倍のヒッグス率は、標準モデルの予測の 6 倍にもなる可能性があると、彼女は見積もっています。

このような増強は、強く自己相互作用するヒッグス場を示しています。また、多くの標準モデルの拡張によって予測される、より重いヒッグス パートナーなど、ヒッグスに崩壊する傾向があるつかの間の新しい粒子を示す可能性もあります。そして、それは素粒子物理学をはるかに超えた意味を持つかもしれないと、フェルミ研究所の理論家であるマルセラ・カレナは言います。物理学者は、幼児期の宇宙が反物質よりも多くの物質で終わった理由を知りません.しかし、Carena は、強く自己相互作用する Higgs フィールドの突然の出現が不均衡に固定された可能性があると述べています.

ユニバーシティ カレッジ ロンドンの ATLAS 実験者である Katharine Leney は、ダブル ヒッグス イベントの発生率が標準モデルの予測に反しない場合でも、それらを数えることは十分に報われると述べています。 「私を含む多くの人々を突き動かしているのは、それが標準モデルのヒッグスである、またはそうではないことを神にかけて、きっぱりと断言できることです。」


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