2012 年、ラージ ハドロン コライダーの 27 キロメートルの円形トンネルで衝突した粒子は、ヒッグス ボソンを引き起こしました。これは、素粒子物理学の標準モデルによって予測された最後の欠落粒子であり、数十年前の一連の方程式をまとめる要です。
しかし、LHC で物質化された他の新しい粒子はなく、標準モデルが対処していない宇宙に関する多くの謎が残されています。新しい物理学の探求を続けるために、LHC のさらに巨大な後継機 (円周 100 キロメートルの提案されたマシン、おそらくスイスまたは中国) を構築するかどうかについての議論が続いています。
物理学者は、ヒッグス粒子そのものからまだ学べることがたくさんあると言っています。わかっていることは、この粒子の存在が、宇宙の質量の起源に関する 55 年前の理論を裏付けているということです。その発見は、1960 年代にこの大量生成メカニズムを提案した 6 人の理論家のうちの 2 人であるピーター ヒッグスとフランソワ アングラーに対して 2013 年のノーベル賞を受賞しました。このメカニズムには、空間全体に浸透するフィールドが含まれます。ヒッグス粒子は、このヒッグス場の波紋、または量子ゆらぎです。量子力学は粒子と自然の場を絡み合わせているため、ヒッグス場の存在は他の量子場に波及します。関連する粒子の質量を与えるのは、この結合です。
しかし、物理学者は、どこにでも存在するヒッグス場、つまり宇宙初期の運命的な瞬間についてほとんど理解していません。この瞬間は、あらゆる場所でゼロの値を持つ (つまり、存在しない) 状態から、現在の均一な値の状態に突然移行したときのことです。そのシフト、または「対称性の破れ」イベントは、クォーク、電子、および他の多くの基本的な粒子を即座に巨大化し、宇宙で見られる原子および他のすべての構造を形成するように導きました.
しかし、なぜ？ 「なぜ宇宙は、このヒッグスの存在をいたるところに置くことに決めたのでしょうか?これは非常に大きな問題です」と、LHC を収容する研究所である CERN の素粒子理論家であるミケランジェロ マンガノは述べています。
物理学者は、ヒッグス対称性の破れが、宇宙の物質と反物質の非対称性 (反物質よりもはるかに多くの物質が存在するという説明のつかない事実) を生み出す役割を果たしていたのかどうか疑問に思っています。もう 1 つの問題は、ヒッグス場の現在の値が安定しているのか、それとも突然再び変化する可能性があるのかということです。これは「真空崩壊」として知られる不安な見通しです。ヒッグス場の値は、谷の底にあるボールと考えることができます。問題は、フィールドの可能な値を定義する数学的曲線にさらに深い谷があるかどうかです。もしそうなら、ヒッグス場のエネルギーの低下に対応して、ボールは最終的により低く、より安定した谷にトンネルを掘るでしょう.より安定した「真の真空」の泡が成長し、私たちが住んでいる「偽の真空」を取り囲み、すべてを消し去ります。
ヒッグス場は宇宙の起源と運命に結びついているだけでなく、ヒッグス粒子の挙動は、それが相互作用する隠された、または未知の粒子を明らかにすることもできます。おそらく、宇宙に欠けている暗黒物質を構成する粒子です。粒子コライダーでは、粒子がほぼ光速で衝突すると、その運動エネルギーが物質に変換され、ヒッグス粒子などの重い粒子が形成されることがあります。次に、このヒッグスは、トップ クォークのペアや W ボソンなどの他の粒子に急速に変形します。各結果の確率は、各タイプの粒子へのヒッグス結合の強さに依存します。これらのさまざまなヒッグス崩壊の確率を正確に測定し、数値を標準モデルの予測と比較すると、何かが欠けているかどうかが明らかになります。確率は合計すると 1 になるからです。
ハーバード大学の素粒子物理学者であるメリッサ・フランクリンは、次のように述べています。 「実験的な観点から言えば、たくさん作って何が起こるか見てみたいだけです。」
それが、彼女と同僚の多くがより大きく、より優れたマシンを構築したいと考えている理由の 1 つです。提案されたスーパーコライダーの第 1 段階は、「ヒッグス ファクトリー」というあだ名が付けられました。これは、マシンが電子と陽電子を正確に調整されたエネルギーで衝突させて、ヒッグス粒子を生成する可能性を最大化し、その後の崩壊を詳細に測定できるためです。フェーズ 2 では、巨大な機械が陽子を衝突させ、より乱雑ではあるがはるかにエネルギーの高い衝突が発生します。
LHC では、ヒッグス粒子と他の標準モデル粒子との結合のほとんどが約 20% の精度で測定されていますが、将来の衝突型加速器は、さらに多くのヒッグス粒子を生成することで、1% の精度で数値を突き止めることができます。これにより、物理学者は、確率が1に追加されるかどうか、またはヒッグスボソンが時折隠れた粒子に崩壊するかどうかについて、より良い感覚を得ることができます.ヒッグスに結合した余分な粒子は、「双子のヒッグス」や「緩和」モデルなど、標準モデルを超えた物理学の多くの理論に現れます。 「残念ながら、非常に多くのモデルと非常に多くのパラメーターが存在するため、無敗定理の希望はありません」と素粒子物理学者の Matt Strassler は言いました。
おそらく、物理学者が明らかにしたい最も重要なカップリングは、三重ヒッグスカップリングと呼ばれるもので、本質的にヒッグスボソンとそれ自体の相互作用の強さです。この数は、ヒッグス ボソンが 2 つに崩壊する、LHC ではまだ見られないまれなイベントをカウントすることによって測定されます。標準モデルは三重ヒッグス結合の値を予測するため、この予測からの偏差が測定された場合、ヒッグスに影響を与える標準モデルに含まれていない新しい粒子の存在が示されます。
トリプル ヒッグス結合を測定すると、ヒッグス場のさまざまな値を定義する数学的曲線の形状も明らかになり、宇宙の真空が安定しているか準安定のみであるかを判断するのに役立ちます。 .カップリングに関する標準モデルの予測が正しければ、宇宙は準安定であり、今から数十億年または数兆年後に崩壊する運命にあります。これは心配する必要はありませんが、私たちの宇宙のより大きな物語についての重要な手がかりです.ピッツバーグ大学の素粒子物理学者で、この結合を研究している Cédric Weiland は、宇宙の運命を明らかにする能力が、3 つのヒッグス結合が「将来のコライダーでの実験プログラムの中心にある」理由だと述べています。
ウェイランド氏によると、ヒッグス工場があれば、物理学者は 3 つのヒッグス結合を 44% の精度で測定できるという。第 2 フェーズの陽子 - 陽子衝突型加速器は、その値を 5% 以内に収めることができます。
基本的な期待は、将来のコライダーでの測定が標準モデルを単純に確認することであり、それは物理的宇宙の不完全な説明を与えるにもかかわらず、イライラするほど破ることができないようです.一部の物理学者は、既存の一連の方程式に関する知識に小数点以下の桁数を追加するだけのマシンに数十億ドルを投資するという見通しに躊躇しています。
物理学者と資金提供機関は、今後数年間で LHC の後継機の価値について活発に議論するでしょう。 20 年と数十億ドルを費やして周囲 100 キロメートルのコライダーを構築するかどうかは、その発見の可能性にかかっています。過去のコライダーは、標準モデルのパズルのピースを 1 つずつ叩きました。しかし、そのパズルが完成したとしても、将来のマシンが何か新しいものを発見するという保証はなく、物理学者はジレンマに悩まされています:構築するか構築しないか?
