ヒッグス機構と電弱対称性の破れ

ヒッグス機構は、電弱ゲージ対称性が自発的に破れることで、WボソンとZボソン、およびフェルミオンに質量を与え、光子を質量のない状態に保つメカニズムを説明する。

Definition

ヒッグス機構とは、非ゼロの真空期待値を持つスカラー場がSU(2)_L x U(1)_Y電弱対称性を自発的に破り、WボソンとZボソンに質量を与え、湯川結合を介して荷電フェルミオンにも質量を与える一方で、ヒッグス粒子として知られる観測可能なスカラー粒子を残す過程である。

Scope

このトピックでは、ゲージ理論に適用される自発的対称性の破れ、スカラーヒッグス場の役割とその非ゼロの真空期待値、および結果として生じるゲージボソンとフェルミオンの質量の生成について扱う。また、ヒッグス粒子の予測と2012年の発見、フェルミオンの質量を決定する湯川結合、そしてこの機構が電弱理論の再規格化可能性とゲージ不変性をどのように維持するかについても論じる。

Core questions

• ゲージ不変性を明示的に破ることなく、ゲージボソンはどのように質量を獲得できるのか？
• ヒッグス場の真空期待値の物理的意味は何であるか？
• 湯川結合はヒッグス場をどのようにフェルミオンの質量に変換するのか？
• 測定されたヒッグス粒子の質量は、電弱真空の安定性に対して何を意味するのか？

Key concepts

• 自発的対称性の破れ
• ヒッグス場と真空期待値
• 南部・ゴールドストーンボソンと縦偏極
• WボソンとZボソンの質量生成
• 湯川結合とフェルミオンの質量
• ヒッグス粒子

Key theories

ゲージ対称性の自発的破れ

スカラー場が非ゼロの真空期待値を持つとき、ゲージ対称性は存在しないのではなく隠されており、南部・ゴールドストーンボソンは吸収されてゲージボソンに縦偏極と質量を与える。

湯川結合によるフェルミオン質量の生成

フェルミオンの質量は、フェルミオン場とヒッグス場の間のゲージ不変な湯川結合から生じる。これにより、ボソンに質量を与えるのと同じ真空期待値が、クォークと荷電レプトンの質量も決定する。

Mechanisms

電弱ラグランジアンにおいて、複素スカラー二重項は、そのポテンシャルの最小値がゼロ場から離れた位置にあるため、場は非ゼロの真空期待値に落ち着く。この最小値の周りで展開すると、4つのスカラー自由度のうち3つがWボソンとZボソンの縦モードとなり、それらに質量を供給する。残りの動径励起が物理的なヒッグス粒子であり、破れていない電磁U(1)が残るため、光子は質量を持たない。

Clinical relevance

2012年に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験およびCMS実験によってヒッグス粒子が発見されたことは、標準模型の最後の欠けていた要素を確定させた。現在進行中の結合の測定は、観測された粒子が標準模型の予測と完全に一致するか、あるいは新しい物理学を示唆するかを検証している。

History

この機構は、1964年にエングレールとブラウト、ヒッグス、およびグラルニク、ハーゲン、キブルによってそれぞれ独立に提案され、ゲージボソンが自発的対称性の破れを通じて質量を獲得しうることを示した。ワインバーグとサラムは、その後の10年間にこれを電弱理論に組み込み、予測されたスカラーボソンは2012年にCERNで最終的に観測され、2013年のエングレールとヒッグスへのノーベル賞につながった。

Key figures

• Peter Higgs
• Francois Englert
• Robert Brout
• Steven Weinberg

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

ヒッグス場はすべての粒子に質量を与えるのか？

ヒッグス場は、WボソンとZボソン、および素粒子のフェルミオンに、それらの結合を介して質量を与える。しかし、通常の物質の質量の大部分は、実際には陽子や中性子内部のクォークとグルーオンの結合エネルギーに由来しており、ヒッグス場から直接得られるものではない。

ヒッグス粒子はヒッグス場と同じものか？

いいえ。ヒッグス場は宇宙全体に遍在し、対称性の破れの原因となっている。一方、ヒッグス粒子は、LHCで検出されたその場の観測可能な量子化された励起である。