【Q】

ヒッグス粒子について，わかりやすく解説を（統一論に及ぼす影響など）。（熊本県　S）

【A】

自然界には4つの力（電磁気力，重力，弱い力，強い力）がある。宇宙誕生直後（10⁻¹⁰秒）の世界では，電磁気力と弱い力が統一されることが，ヒッグス粒子発見によりわかった

2012年7月の発見会見から，翌13年のノーベル物理学賞のスピード受賞まで，科学雑誌のみならず一般報道でも，「ヒッグス粒子」はよく誌面を飾った。「iPS細胞」のように，役に立つ（かもしれない）ものと違って，基礎科学の極みである素粒子研究がなぜこんなに大きくクローズアップされたのか？発見の意味を「上から目線」でまとめてみた。

「上から」と言うのは，より本質に近い（？）という意味であり，宇宙誕生がこんなふうだったのかな？という予断を含むものだからである。目の前の患者の病と日々闘っている読者から見ると，予断だらけの道楽に思えるかもしれないが，これが素粒子研究者が思い描いているシナリオだと思って，しばしSFのような話をお楽しみ頂きたい。

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素粒子があっても，その間に「力」が働かないと何も起きない。どんな力が，どういうふうに働いているかを研究することが，素粒子研究の大きな柱である。

実は，力を伝えるのも素粒子なのである。ボールをやりとりすると，投げ手，受け手，ともに力が働く。これと同じで，ボールに対応する素粒子を交換することで，投げ手，受け手の素粒子に力が及ぶのである。
人類の歴史の中で様々な力が発見され，それぞれ別々と考えられていたものが，同じものだったことが判明し，「統一」されていった。この統一が物理学の歴史そのものである。図1にその経緯を示す。横軸は，宇宙の温度であるが，現代から遡った時間の長さと考えてもよい。たとえば，18世紀に発見された電気の力と，紀元前の中国で発見されていた磁気の力は，19世紀に電磁気力として統一され，この力を伝えているのが光という素粒子である。光の研究の過程で，アインシュタインの特殊相対性理論が生まれ，時間と空間が統一され，「時空」という概念が生まれた。力とは関係ないだろうと思われるかもしれないが，以下の重力に関する説明で力と深く結びつく。

ガリレオが研究していた地上の物体に働く力と，ケプラーが研究していた天体の運行が，ニュートンによって万有引力として統一され，重力となった。

この重力は，他の力と異なり，時空自体のゆがみ（一般相対論）である。重力を伝える重力子（未発見の素粒子）が時空を歪ませている。

残念なことだが，福島の原発事故以降よく聞くようになった¹³⁷Csや¹³¹Iなどの核種が放射線を出すのには，「弱い力」という力が働いている。これらの半減期が，数日から30年と非常に長いのは，伝わる力が「弱い」からである。この力を伝えているのが，W粒子やZ粒子と呼ばれる素粒子であり，他の素粒子と比べて破格に重い。この重さ故に力が「弱く」なっている（なぜなら重い粒子はなかなか作れないからである）。

これらに続く4つめの力が湯川秀樹先生の研究が出発点になっている「強い力」である。これは原子核を非常に小さな大きさ（10⁻¹⁵m）にまとめている力で，他の力と比べて強い。グルーオンという素粒子が伝えている。

このように4つの力（電磁気力，重力，弱い力，強い力）が自然界にあることがわかっている。

素粒子の「標準理論」は，重力以外の3つの力を記述するもので，ヒッグス粒子の発見でうまくいった。しかし，物理学者は「3つ（重力も加えれば4つ）もあると変！」と考える。きっと宇宙誕生直後は同じものだったのが，宇宙が膨張して冷えると別のもののように分岐したと思っている。これが，図1の右側で，これらの力がまとまっている理由である。

物理学はSFでなく実証学問である。どうやって調べるのか？宇宙誕生直後を人工的に再現するのである。図2〔欧州合同原子核研究機構（CERN）提供〕は，ジュネーブ郊外にある同研究所で地下に建設された1周27kmの大型加速器（large hadron collider；LHC）の航空写真である。この実験装置を使って，陽子（水素原子の原子核）を光速の99.999997％まで加速し正面衝突させる。これで宇宙誕生直後（10⁻¹¹秒）の世界を一時的に再現し，ヒッグス粒子を取り出したのである。

何からヒッグス粒子を取り出したのだろうか？「真空」は，「まことのから」と漢字で書くが，実は空っぽなのではなく，ヒッグス粒子が隠れていたのである。ヒッグス粒子は，「弱い力」を感じるので，真空も弱い力に関係している。このため，W粒子やZ粒子が重くなり，弱い力が弱くなっているのである。ヒッグス粒子が，自由に取り出せるような高温の状態では，ヒッグス粒子が隠れていないため，W粒子やZ粒子は，重くなく「光」と同じになる。宇宙誕生直後（10⁻¹⁰秒）の世界では，電磁気力と弱い力が統一される。つまり，4つの力が3つに統一されるのである。それが図1の右上に対応している。ヒッグス粒子発見は，この統一を意味している。

強い力まで含めた統一（大統一）が次のステップである。大統一のためには，「超対称性粒子」の発見が必要であると思われている。超対称性というのは，素粒子のスピンという性質に関する対称性である。この大統一が破れたのが，宇宙誕生直後（10⁻³⁴秒）と考えられており，それまで自由だった「色つきヒッグス粒子」（今回発見したヒッグス粒子とは違うが，同じような性質を持っている）が真空に隠れたときのエネルギーで宇宙が大膨張（インフレーション）したと考えられている。

最後の重力の統一（超統一）は，もう1つ大きな発見が必要になる。重力は，時空の歪みである。スピンは素粒子から空間がどのように見えているか（時空と素粒子を結ぶ）重要な性質であるので，上述した超対称性粒子の発見は，時空と素粒子を結ぶミッシングリンクである。だが，これだけでは不足である。横にいる人の熱（これが光）を感じても重力を感じることはない。重力は，他の3つと比べると40桁ぐらい無茶苦茶弱い。相手が地球だから感じることができる。

どうやってこの弱さを説明するか？我々は10次元の世界にある4次元の面の上に住んでいると考える。重力を伝える素粒子は，10次元を自由に行き来できるが，我々は4次元の平面に張り付いている。たまたま近くにきたときだけ重力を感じる“たまたま”効果で弱さを説明しようとする。SFのような話であるが，残りの6（10−4=6）次元がLHCで発見されるかもしれない。それが何年か前に騒動になった「ブラックホール生成？」騒ぎである。超対称性粒子と10次元の2つの発見が，最後の統一に必要と思われている。

これが宇宙誕生の瞬間である。

自然科学は，実験事実を積み重ね，帰納的に原理を発見していく「下から目線」の学問である。今回の予断だらけのシナリオ（最後の重力は特に予断だらけである）が，シナリオ通りにいくとは思えない。意外な発見が研究の本当の面白さである。