物理学者らはヒッグス粒子の極めて短い寿命に迫る

1.6 x 10 ^-22秒: 理論によれば、これはヒッグス粒子の寿命です。ヒッグス粒子は、素粒子の世界で最も注目されている粒子の 1 つです。この時間は非常に短いため、この記事を読んでいるデバイスの光が目に届く前に、何十兆ものヒッグス粒子が生まれては死んでしまう可能性があります。

物理学者たちは現実世界でのこの寿命に焦点を絞っている。欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のデータを精査した科学者たちは、ヒッグス粒子の寿命を1.6 x 10 ^-22前後に絞り込んだ。科学者たちがこれを可能にしたのは、LHCの検出器の1つであるCMSのデータのおかげである。彼らの研究は大きな進歩であり、ヒッグス粒子の発見からほぼ10年が経過した今でも、この粒子についてまだ学ぶべきことがたくさんあることを示している。

「これは素晴らしい成果であり、大きな節目ですが、まだ第一歩にすぎません」と、カリフォルニア州のSLAC国立加速器研究所の素粒子物理学者カテリーナ・ヴェルニエリ氏は語る。ヴェルニエリ氏は過去にCMSグループと協力したことはあるが、今回の研究には関わっていない。

「量子場」や「対称性の破れ」と呼ばれる複雑な概念を含む長い話を短くまとめると、ヒッグス粒子は多くの粒子が質量を持つ理由である。ヒッグス粒子は1960年代に初めて理論化され（その名前の由来はノーベル賞を受賞した英国の物理学者ピーター・ヒッグスである）、何十年も科学者の理解を妨げてきた。

粒子をより高いエネルギーで衝突させることが発見の鍵であり、それを可能にしたのは LHC だ。LHC では、粒子がフランスとスイスの国境にある 17 マイルのリングを周回する。LHC は 2008 年に稼働を開始した。2012 年、そこで研究していた物理学者たちは、ヒッグス粒子だったかもしれない何かの痕跡を発見した。そして 2013 年末までに、彼らはその結果が単なるランダムな統計的ノイズではないと判定した。

ヒッグス粒子の探索は終わった。しかし、科学者が粒子、あるいは他の何かを発見したからといって、その特性の全てを理解したということにはならない。

[関連: 素粒子物理学を変える可能性のある発見の内幕]

理論物理学者はヒッグス粒子の発見の数十年前にその特性の多くを予測していた。それらの理論的予測が科学者が最終的に発見したものとよく一致すれば、ヒッグス粒子が現代の素粒子物理学の理論、いわゆる標準モデルに適合することを示すさらなる証拠となるだろう。それは科学者が宇宙が最小のスケールでどのように動いているかについてより多くを学ぶのに役立つだろう。

しかし、科学者たちは、世界に姿を現していないものを研究しようとしている。ヒッグス粒子のような粒子は、その小さなサイズに加え、他の粒子のシャルキュトリーボードに崩壊するまでの、消え去るほど短い時間だけ姿を現すかもしれない。

「ヒッグス粒子の寿命は極めて短い」とヴェルニエリ氏は言う。「そのため、私たちの実験でヒッグス粒子が生成されても、実際にヒッグス粒子を計測したり、ヒッグス粒子を観測したりしているわけではなく、ヒッグス粒子が崩壊してできた粒子の破片を観測しているのです。」

そこでCMSの科学者たちは、2015年から2018年にかけて行われたLHC実験のデータを精査した。ヒッグス粒子が崩壊してできた粒子を調べることで、科学者たちはヒッグス粒子が持つ可能性のある質量の範囲を遡って見つけることができた。不確定性原理と呼ばれる量子特性のおかげで、その範囲は粒子の寿命に反比例するため、物理学者は前者から後者を計算することができる。

彼らの計算によると、ヒッグス粒子の寿命は 1.2 x 10 ^-22秒から 4.4 x 10 ^-22秒の間である。これはこれまでで最も正確なヒッグス粒子の寿命の推定値であり、理論家が予測した 1.6 x 10 ^-22という数字とよく一致する。

しかし、それでも、一部の物理学にとっては精度が十分ではありません。

たとえば、ヒッグス粒子が崩壊して、標準モデルでは説明できない、奇妙で現在未知のエキゾチック粒子になる可能性がある。これはヒッグス粒子の寿命に影響を与えるが、その影響は非常に微妙なので、この計算でも検出できない。

「これは寿命の価値における非常に小さな変化です」とヴェルニエリ氏は言う。「ですから、私たちは本当に、寿命を非常に高い精度で測定する必要があるのです。」

幸いなことに、素粒子物理学者たちは、この点に関しては改善できると考えている。「測定の精度は、次のLHC実験からのデータと新しい分析アイデアによって、今後数年間で向上すると期待されています」と、CMSの物理学者であり、このプロジェクトを支える物理学者の一人であるパスカル・ヴァンラー氏は声明で述べている。

計画によれば、次回の運転の最初の日はそう遠くない未来だ。2018年以来、LHCは長期停止期間（Long Shutdown 2）と名付けられ、停止状態が続いていた。その間、衝突型加速器とCERNの周辺施設は、一連のアップグレードが実施された。COVID-19によるスケジュールの混乱の後、衝突型加速器は現在、2022年2月に再稼働する予定だ。

ヒッグス粒子については、その生成方法から他の粒子への反応、ヒッグス粒子自身との相互作用まで、まだはっきりとわかっていないことがたくさんある。それらの特徴を解明するには、LHC でも感度が足りないかもしれない。

「LHCでは10億回の衝突ごとにヒッグス粒子が生成される」とヴェルニエリ氏は言う。そして多くの場合、ヒッグス粒子を観察するには、他の粒子の海全体を調べなければならない。「粒子生成を非常に正確に研究するには、非常に困難な環境だ」

鍵となるのは、ヒッグス粒子をより高い精度で研究するためのよりクリーンな環境だとヴェルニエリ氏は言う。おそらく、それはLHCの後継機の1つが担う仕事だろう。