2013年ノーベル物理学賞、発表!〜新しい物理学の幕開けだ!〜

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こんにちは!本田からバトンを受け取った福田です!

発表が1時間遅れ、じらされました!甘党の福田です!

今年のノーベル物理学賞、

「CERNのLHCを用いたATLASとCMS実験による存在が予想された基本粒子の発見によって、最近確認された素粒子の質量の起源に関するメカニズムの理論的発見」

の詳報を、ノーベル賞の発表直後、興奮冷めやらぬ未来館からお届けします。

とてつもなく長いブログになってしまいましたので、3部構成にしたいと思います。

タイトル0

 

タイトル1

最後のピースが埋まる!

素粒子の世界の基本理論を表す「標準模型」という考え方があります。その標準模型では、この世の物質をつくる最小の粒々「素粒子」が、下の表のように17種類あると考えられています。そして、最後まで見つけられなかったのが、この「ヒッグス粒子」。最近の発見で、

標準模型のピースがすべて埋まったのです!

素粒子

 

ヒッグス粒子を発見したらどうなるの?

IMG_2229

「ハァァ〜〜〜〜〜〜!!!」

気が狂ったのではありません...。赤ネズミのぬいぐるみを触れずに倒そうとしています。

物に手を触れずに、力を加えることはできるでしょうか?

実は「場の力」ならば、触れずに力を加えられます!世の中には4つの場の力があります。

4つの力2

身近な電磁気力を見てみましょう。磁石のN極とS極は、離れていてもくっつこうとします。磁石の周りには目に見えない何かがあるのでしょうか?この磁石に、ビニタイと呼ばれる針金を散らすと...。バッ!!


 

何ということでしょう。触ってもいないのに、針金が花を咲かせたように立っています!これが「場の力」です。そしてそれぞれの場の力には、力を伝える粒子があるんです。例えば電磁気力は「光子」弱い力は「Wボゾン」「Zボゾン」という粒のように。

これらの力はもともと、全部同じものだったと考えられています。そして今回のノーベル賞を受賞した研究は、

電磁気力弱い力が分かれた瞬間と深いつながりがあるんです!

光子には質量がないですが、WボゾンとZボゾンには質量があります。しかし、宇宙のできたばかりのころは、WボゾンとZボゾンにも質量がなく、弱い力電磁気力は同じ力だったと考えられています。しかし、宇宙ができて1兆分の1秒後に、WボゾンとZボゾンが質量を持ち、電磁気力弱い力が分かれました。

4つの力

 

なぜWボゾンとZボゾンは質量を持ったのか?

その疑問に答えたのが、素粒子に質量を与える理論「ヒッグス機構」なんです。ピーター・ヒッグスらが、1964年に提唱しました。そして。もしこの考え方が正しいならば、質量を持つ素粒子があると予言されました。その素粒子こそが「ヒッグス粒子」です。なので今回、ヒッグス粒子が見つかったことで、

素粒子に質量を与えるヒッグス機構が

正しいと証明されたんです!

 

 

【コラム】ヒッグス粒子でダイエットできるの!?

素粒子の世界の基本原理を表す標準理論の完成!なんてすごいのは分かったけど、皆さんこれが気になりますよね。

自分とは関係あるの?

大ありです!

私たちの体を作っている材料の原子は、原子核の周りを電子が回っています。もしヒッグス場がなかったら、電子が質量を持たないので、光の速さでどこか遠くにすっ飛んでいってしまいます。

10億分の1秒という一瞬で、体がバラバラになります!

最近ツイッターでこんなつぶやきを見つけました。

ヒッグス場の影響をなくせば、ダイエットできる?

想像しただけで恐ろしいですよね。そんなことしたら一瞬で体がなくなってしまいます!

 

 

タイトル2

第2部 ヒントは「超伝導」に隠されていた!

 

超伝導

みなさんは、未来館の超伝導の実験を見たことがありますか?超伝導とは、超伝導体と呼ばれるものをある温度より冷やすと、電気抵抗がいきなりゼロになってしまうという現象です。この超伝導の状態になると、磁場が超電導体の中に入り込めなくなり、磁石のN極を近づけても、S極を近づけても反発します。これを「マイスナー効果」と呼んでいます。

そして、2008年にノーベル物理学賞を受賞した南部陽一郎さんは、磁場が入り込めなくなる理由をこう考えました。

「超電導体の中では、光子は質量を持つ!」

光子が質量を持つと電磁気力が近くまでしか伝わらないから、磁場が入り込めなくなると考えたのです。

 

光子はどのように質量を持つのか?

いきなりですが「光は波であり、粒でもある」って聞いたことありますよね!光子には質量がありません。これは、光が横波しかないことと関係があるんです。そして、光が横波だけでなく縦波も持ったときに、光子が質量を持ちます

 

縦波

 

その縦波とは一体何なのか。南部さんがノーベル賞を受賞した

「対称性の自発的破れ」

という考え方と、深い関係があります。

タイショウセイノジハツテキヤブレ・・・。

なんじゃそりゃ。大栗博司さんの著書「強い力と弱い力」によると、南部さんは「体育館にいる人の向き」を例えに出して、説明するそうです。

小学校の体育館を想像してみましょう。まずは休み時間。たくさんの子どもたちが、鬼ごっこをして走り回っています。みんながいろんな向きに走り回っているので、どの方向から見ても違いがありません。これを「対称性がある」と言います。

 

対称性の破れ

 

次に、卒業式を想像してみましょう。みんなが同じ方向を向いて、静まり返っています。先ほどと違って向きがあり、見る方向によって見え方が違います。これを「対称性が破れる」と言います。

 

対称性の破れ2

 

(図の人が急に大人になったのは気にしないでください・・・笑)

超電導体の中でも同じようなことが起こっているのです。温度が高いときは、電子の回転がいろんな方向を向いていて、どの方向から見ても同じように見えます。しかし、温度が下がって超電導の状態になると、電子の回転が同じ方向を向きます。全体で見ても向きがあり、見る方向によって見え方が違います。つまり「対称性が破れる」のです。

 

対称性の破れ3

 

再び体育館の例えに戻ります。卒業式でみんなが同じ向きを向いていたら、自分だけ激しい動きをするのには、心のエネルギーが要りますよね!?でも、ずっとじっとはしていられません!体を少し崩したり、少しくらいは動いちゃいます。人間だもの!そのわずかな動きが全体に伝わって"さざ波"ができるんです!

 

対称性の破れ4

 

(図の人が急にスーツを着だしたのは気にしないでください・・・笑)

このさざ波こそが、光子に質量を与えた正体なのです!

光子が超電導体の中に入ると、さざ波が光子の縦波となり、横波と縦波を持つので質量を持つようになるのです。

 

対称性の破れ5

 

そして、今回ノーベル賞を受賞した「ヒッグス機構の解明」は、超電導体の中で光子が質量を持つ理論に影響を受けているんです。素粒子はどのように質量を持つようになったのか。いよいよ核心に迫ります!

 

 

タイトル3

 いよいよヒッグス登場!

そしてヒッグス博士は、WボゾンとZボゾンに質量を与えるために、光子が質量を持つ逆の流れを考えましたWボゾンとZボゾンが質量を持つためには、縦波になるようなさざ波が生まれれば良い。そのためには、なんらかの「場」の対称性が破れれば良い。そこで、ヒッグス博士は大胆な予想をしました。

「世界は『ヒッグス場』で満たされている!」

 

対称性の破れ6

 

最初の宇宙は高温で、ヒッグス場の対称性がありました。しかし、宇宙ができて1兆分の1秒後、宇宙の温度が4000兆度まで低下(めちゃめちゃ熱いですが、宇宙規模だと冷えてるんです・・・(苦笑))。ヒッグス場が同じ方向を向いて"凍りつき"、対称性が破れたのではないか、と考えたのです。

 

対称性の破れ7

 

こんなのどうやって証明するんだよ...って感じですよね。そしてヒッグス博士はもうひとつ予言しました。

「ヒッグス場があるとすると、質量を持つ粒子が現れる」

これが、今回の主役のヒッグス粒子です!

「素粒子はなぜ質量を持ったのか」という問いに迫るヒッグス機構が正しいことを証明するために、ヒッグス粒子の探索が始まったのです。

 

ヒッグス確定!直前で最後のひと押し

なんと発表直前の今月4日、驚きのニュースが一部全国紙に載っていました。

「ヒッグス粒子 存在確定 物理学の標準理論完成」

このタイミングで!と朝刊を見てびっくりしました。何を持って確定したかというと、素粒子の自転を表す量「スピン」がゼロと確認できたことが大きいようです。

今まで見つかっていた17種類の素粒子は、すべて"アイススケートの選手"のようにクルクル回っています。しかし今回見つかったスピンは回っていない。今まで見つかった粒子とまったく違ったんです!

 

「今まで見つかった素粒子はクルクル回っていて、

見方によって違うように見える。目鼻立ちがある。

しかし、ヒッグスはどこから見ても同じ。のっぺらぼう

今年6月に、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構(カブリIPMU)の村山斉機構長を取材しました。村山機構長はこのような表現をしていました。

 

 

終わりでなく始まり

素粒子の世界の基本原理を表す標準理論が完成したならば、これで物理学の謎は解けてしまったのでしょうか。村山斉機構長に問いかけてみました。

 

「今回の発見は新しい世界への窓口

のっぺらぼうな粒子がたくさんあって、

その最初の1個が見つかったのがヒッグスかもしれない。

ヒッグス粒子をきちんと調べていくと、

仲間が見えてくる可能性がある

ヒッグス粒子仲間の中に、暗黒物質があるかもしれない

 

村山機構長は、ヒッグス粒子の発見は終わりではなく始まりだと話していました。

 

新しい物理学の幕開けだ!

 

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この記事への9件のフィードバック

予想は外れちゃいましたね(笑)

そして、かなり分かりやすく書いてくれてると思うのですが、それでも物理の素人には、なかなか理解が難しいです……

この内容を理解するのに、ちょうど良いような入門書とかってありませんか?

福田先生の活躍を、祈ってますよ!

NHKの番組を見てブログを見ました!!

物理学は難しいイメージですが、分かりやすい説明で今回のノーベル物理学賞の大きな業績が分かりました。

私も理系学生の端くれなのでこのような発見はとても刺激を受けました。

ブログも見やすくこれから読んで行きたいと思います。

これからもブログ更新頑張ってください!!

コメントありがとうございます。

先生ではないので、先生はやめてくださいませ。

例えを誤魔化したくなかったので、

難しい文章になってしまいました。汗

素粒子の壮大な物語を感じていただいて、

一人でも多くの人が、「自分で調べたい!」と

思っていただければと思っていたので、うれしいです。

おすすめの本は、

ブログの中でも紹介していますが、

大栗博司さんの「強い力と弱い力」です。

また感想も教えてください!

テレビからブログまで見ていただき、

ありがとうございます!

物理学は難しいようですが、

身の回りの自然にあふれている身近なものばかりです。

これからも書きますので、

読んでください。

未来館にも遊びに来てくださいね。

福田大展様

素粒子物理学の先端の話なので簡単な説明も難しければ、お手軽理解も無理なのですが、それにしても世間に流れている多くの解説(ヒッグス粒子が抵抗になってしまったり、万物に質量を与えてしまったり)は酷すぎると感じていたところだったので、これを読ませていただいてほっとしました。そして、科学コミュニケーターは科学普及のプロフェッショナルだわと感心した次第です。

私も大栗博司さんの『強い力と弱い力』はとても良い本だと感じています。

うれしいコメントありがとうございます!

今回のいわゆる<ヒッグス粒子>を伝えるときに、

①科学的に正しい

②身近な話題とつなげる

という例えを考えるのですが、

そのバランスが難しいですね。

今回は、難しいと分かった上で、

自分で調べたくなるような文章が書きたかったです。

11/17には研究者の声を聞けるイベントがありますので、

ぜひ遊びに来てください!

始めまして! ヒッグス粒子を検索しててたどり着きました。

超伝導の所は難しかったですが、

「物に手を触れずに、力を加えることはできるでしょうか?」

は4つの力の説明としてとても分かりやすかったです。

素人なので見当違いな事書いてたらすみません(汗)

これ読んでて思ったんですが、標準理論てもしかして

電弱統一理論の為の理論なんでしょうか?

これで標準理論が完成して、その後やっと強い力や重力が

統合される理論が作られると思うと、まだ道は遠いと言うか、

なんか物理の奥深さを感じました。

所で恥かきついでにもう一つ。

電子は質量があると言いますが、電流として流れるのは

電子ですよね。

どうして質量があるのに光速なんでしょうか?(>_<)

なっちゃん様

返信が大変遅くなり申し訳ありません。

友人の結婚式参列のため、ハワイに行っていました。

すばる望遠鏡があるマウナケア山にも行きました。

ブログを読んでいただきありがとうございました!

標準理論の質問ですが、おっしゃるとおり、

電弱統一理論と標準理論には関係があります。

正確に言うと、電弱統一理論は標準理論の一部です。

標準理論は、「電弱統一理論」と強い力に関係する「量子色力学」を合わせたものです。

もう一つ。電子の質問ですが、

「電子は質量があるので、光速では動けません」

電子はものすごく軽いので、光速近くで動けますが、

光速では動けません。

補足で、電磁波(電波)は、

質量がない光子の運動なので、光速で伝わります。

最初の4つの力の話ですが、

重力以外の3つの力をまとめる「大統一理論」、

4つすべてをまとめる「超大統一理論」(すごい名前・・・)

などが控えています。

私たちが生きている間に、

なにか大きな展開があれば、

それはものすごいことですよね!

丁寧な説明、ありがとうございました(^-^)

電流は光速では無いんですか!? 

うわ。何十年もそう思い込んでいました(汗)

思い切って聞いて良かったです。

量子色力学って、香りとかフレーバーとかと

また関係があるんですよね・・・

いくつか読んだけどさっぱり分からなくて。

そのうちまた解説して頂けると嬉しいです!

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