12 の粒子の発見: 物質の中心への旅

物質の粒子 — 粒子衝突のシミュレーションの表示。粒子は目に見えませんが、ギガエレクトロンボルト（GeV）程度の十分なエネルギーが加えられれば検出可能です。エネルギーと質量は同じ現象の 2 つの側面であり、アインシュタインの有名な方程式 (E = mc2) によれば、質量はエネルギーに変換でき、またその逆も可能です。これらの粒子は、宇宙に存在するすべてのものの構成要素を構成します。

素粒子物理学

素粒子物理学は、宇宙の基本的な構成要素を研究する物理学の分野です。クォークやレプトンなどの素粒子と、それらを支配する基本的な力を探求します。科学者は粒子加速器を使用して、非常に高いエネルギーでこれらの相互作用を研究します。

基本粒子は、物質を構成するフェルミ粒子 (クォークやレプトンなど) と、基本的な力を担う粒子であるボソン (光子やヒッグス粒子など) の 2 つの主なカテゴリに分類されます。

ヒッグスメカニズム

ヒッグス機構は、素粒子がどのように質量を獲得するかを説明する素粒子物理学の基本的な概念です。このメカニズムは、ヒッグス場と呼ばれる宇宙に遍在する場の存在と、それに関連する粒子であるヒッグス粒子に基づいています。

ヒッグス粒子自体の質量は正確に測定されています。当初、私たちはその質量が 2 GeV から 1000 GeV の間という、非常に広い範囲にあるに違いないことだけを知っていました。しかし、CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) で行われた実験のおかげで、ヒッグス粒子の質量が約 126 GeV であることがわかっています。

ヒッグス粒子の発見

ヒッグス粒子は、大型電子陽電子衝突型加速器 (LEP) 検出器では観測できませんでした。これは、この衝突型加速器の出力 (114 GeV) がヒッグス粒子を生成するには十分ではなかったためです。 LEP は、より強力な 7 TeV 衝突型加速器である LHC に置き換えられる必要がありました。 LEPは2000年秋に解体され、科学者らがヒッグス粒子の発見を望んだのは、2008年9月10日から運用されているLHCであった。

2012 年 7 月 4 日、ヒッグス粒子の発見が発表されました。 2013 年 3 月 14 日、CERN は、新しく発見された粒子が標準模型によって予測されたヒッグス粒子にますます似ていることを確認しました。

LHCでの実験

LHC の 4 つの主要実験のうちの 2 つである ATLAS 実験と CMS 実験は、独立してヒッグス粒子を観測し、126 GeV での質量を決定しました。これらの実験には高エネルギー陽子の衝突が含まれます。陽子束のクロスオーバーは 50 ナノ秒ごとに発生し、陽子束を何時間も回転させることで、科学者は興味深い衝突を得ることができます。

空間全体を埋めるヒッグス場を表す、人で均等に満たされた部屋を想像してください。有名人（素粒子を象徴）が部屋に入ると、人々が彼女の周りに群がり、彼女の動きがより困難になります。この抵抗は、粒子がヒッグス場と相互作用することによって獲得する慣性質量を表します。

2011 年と 2012 年には約 10¹⁵衝突は実験によって引き起こされました。衝突が発生する交差ゾーンの長さは 7 cm、直径は 20 μm です。

ヒッグス場の簡単な説明

1993 年、英国の科学大臣ウィリアムウォルドグレーブは、ヒッグス場とヒッグス粒子の簡単な説明を求める挑戦状を出しました。 CERN の David Miller は、次のような例えでこの課題に勝利しました。

有名人の代わりに、噂 (126 GeV のエネルギーを表す) が部屋に広まると、人々は噂の出所の周りに群がります。この人々の集団はヒッグス粒子を表しており、ヒッグス場との相互作用によって質量が増加します。

基本的な相互作用

基本相互作用は、素粒子の挙動を支配する力です。自然界には 4 つの基本的な相互作用があります。

重力相互作用:宇宙の大規模構造の原因となる、集団を引き付ける力。
電磁相互作用:帯電した粒子間に作用する力で、電気現象と磁気現象の原因となります。
強力な相互作用:陽子と中性子の内部でクォークを結合する力で、原子核の安定性に関与します。
弱い相互作用:特定の種類の放射性崩壊を引き起こし、星の内部の核反応に関与する力。

これらの相互作用はボソンによって媒介されます。重力には (仮説の) 重力子、電磁気には光子、強い相互作用にはグルーオン、弱い相互作用には W ボソンと Z ボソンが使用されます。