ヒッグス機構
ヒッグス機構
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2025/05/09 16:29 UTC 版)
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ヒッグス機構（ヒッグスきこう、Higgs mechanism）とは、ピーター・ヒッグスが1964年に提唱した、ゲージ対称性の自発的破れとゲージ粒子の質量獲得に関する理論である[1]。
ゲージ理論においてゲージ場が質量項を持つことはないが、ヒッグス機構ではヒッグス場が真空期待値を持つことで系の対称性を破り、ゲージ粒子はヒッグス場との相互作用を通して質量を獲得するものと考える。
ただし、この理論によれば真空と同じ量子数を持つスカラー粒子が現れるとされるので、この理論が現実の物理に適用できるものだと証明するためには、その粒子（ヒッグス粒子）を実験的に見つけることが課題になる[2]。
この機構（メカニズム）は、まず1962年にフィリップ・アンダーソンによって提唱され、類似のモデルが1964年に3つの独立したグループによって発展させられた。すなわち (1) ロベール・ブルーとフランソワ・アングレール 、(2) ピーター・ヒッグス、および(3) ゲラルド・グラルニクとC・R・ヘイガンとトマス・キブルの3グループである。よって、このメカニズムは次のような様々な呼称で呼ばれている。Brout–Englert–Higgs mechanism（ブルー・エングレール・ヒッグス・メカニズム）、あるいはEnglert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble mechanism,[3] Anderson–Higgs mechanism,[4] Higgs–Kibble mechanism（アブドゥッサラームによる）[5]あるいはできるだけ頭文字だけにしてABEGHHK'tH mechanism (Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble and 't Hooftの頭文字。ピーター・ヒッグスが他の研究者たちに敬意を払ってこう呼んだ。）[5]。
概要
ゲージ対称性を持つ理論において、ラグランジアンの中にゲージ場の質量項は入らないため、ゲージ場の裸の質量は0である。しかしながら、ヒッグス機構はゲージ場とスカラー場の相互作用によって、低エネルギーにおいてゲージ粒子に質量を与えることが出来る[2]。 つまり、もしヒッグス機構が起こっていれば、従来は困難とされたゲージ粒子の質量に対して、物理学的に整合性を保った、合理的な説明が与えられる。
系の対称性が破れると南部・ゴールドストーン粒子が生じるが、この機構が起こるときには物理的な南部・ゴールドストーン粒子は現れず、その自由度はゲージ場の縦波成分として吸収されてゲージ場は質量を持ったベクトル粒子となる[2]。 この機構において系の対称性を破るために導入される場はヒッグス場と呼ばれる[6]。 ヒッグス場はゲージ群の下で非自明な表現（チャージ）をもち、ゲージ理論に従ってゲージ相互作用をする。 ヒッグス場が真空期待値をもつと対称性が破れ、ヒッグス場とのゲージ相互作用を通じてゲージ場は質量を獲得する。 対称性が破れた後に残る場が量子化されて得られる粒子がヒッグス粒子である[6]。
種々のヒッグス場
標準模型における例
ワインバーグ＝サラム理論或いはそれを含む標準模型において、ヒッグス場はウィークアイソスピンとウィークハイパーチャージのチャージをもつ。 ヒッグス場が真空期待値をもつと、電弱対称性が破れてWボソンとZボソンは質量を獲得する。 なお、フェルミオンはヒッグス場が真空期待値を持つことで湯川相互作用を通して質量を獲得するが、湯川相互作用項はゲージ理論から要請される項ではない。
ヒッグス三重項
グラショウ＝ワインバーグ＝サラム模型におけるヒッグス場は、複素2成分のスカラー場が導入され、ウィークアイソスピン SU(2)L の二重項として振る舞う。 電弱対称性 SU(2)L×U(1)Y を破るヒッグス場は二重項に限らず、次に簡単な模型として複素3成分のスカラー場であるヒッグス三重項（Higgs triplet）が考え得る[7]。
Y = 1 のとき、電荷は Q = T3 + Y より、Δ = (Δ0,Δ+,Δ++)である。 ヒッグス三重項は SU(2)L の随伴表現として振る舞い
ヒッグス機構
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/11/12 07:29 UTC 版)
詳細は「ヒッグス機構」を参照 ヒッグス機構とは、ピーター・ヒッグスが1964年に提唱した、ゲージ対称性の自発的破れに関する理論である。この理論の下では、南部・ゴールドストーン粒子は物理的には現れず、その自由度はゲージ場の縦成分として吸収され、ゲージ場はベクトル粒子としてふるまうことになる。この理論は、質量をもつベクトル粒子を、きわめて基本的な対称性に基づいたゲージ場として解釈することを可能にする。つまり、ヒッグス機構は質量の起源について合理的な説明を与えることができる。 この理論では、「真空」と同じ量子数を持つスカラー粒子が現れる、とされるので、この仮説が正しいものだと証明するためには、このいわゆる「ヒッグス粒子」を実験的に見つけることが課題になる。 なお、似たようなメカニズムは、ブリュッセル自由大学のロベール・ブルー (Robert Brout) とフランソワ・アングレールも1964年に、ヒッグスとは独立に提唱していた。 ヒッグス機構では、宇宙の初期の状態においては全ての素粒子は自由に動き回ることができ、質量を持たなかったが、低温状態となるにつれ、ヒッグス場に自発的対称性の破れが生じ、真空期待値が生じた（真空に相転移が起きた）と考える。これによって、他のほとんどの素粒子がそれに当たって抵抗を受けることになった。これが素粒子の動きにくさ、すなわち質量となる。質量の大きさとは、真空期待値が生じたヒッグス場と物質との相互作用の強さであり、ヒッグス場というプールの中に物質が沈んでいるから質量を獲得できると見なす。光子はヒッグス場からの抵抗を受けないため相転移後の宇宙でも自由に動き回ることができ、質量がゼロであると考える。 ヒッグス粒子の存在が意味を持つのは、ビッグバン、真空の相転移から物質の存在までを説明する標準理論の重要な一部を構成するからでもある。もしヒッグス粒子の存在が否定された場合は、標準理論（および宇宙論）は大幅な改訂を迫られることになる。 マスメディアによるニュース報道等では「対称性の破れが起こるまでは質量という概念自体が存在しなかった」などと紹介されることがあるが、これは正確ではない。電荷、フレーバー、カラーを持たない粒子、標準模型の範囲内ではヒッグス粒子それ自体および右巻きニュートリノはヒッグス機構と関係なく質量を持つことが出来る。また、重力と質量の関係、すなわち重力質量発生の仕組みは空間の構造によって定められるものであり、標準模型の外部である一般相対性理論、もしくは量子重力理論において重力子の交換によって説明されると期待される[要出典]。
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