ヒッグス機構とは、粒子に質量が存在することを説明するための仕組みです。これをしっかりと理解するためには、ラグランジアンやら複素スカラー場の非自明真空期待値やら共変微分やらゲージ変換やら対称性の自発的破れやら...専門的な知識が必要です。それで簡単な説明として「水飴」のイメージを用いた説明がされるのですが、今回は別の方法で説明することを試みます。一般向けのやさしい説明にしたつもりなので厳密さに欠けますが、分かりやすいと思うのでぜひ見ていってください。
それでは、はじまりはじまり～。
まずは、登場人物を紹介します。一番左の「運動くん」、真ん中の「質量くん」、一番右の「相互作用くん」です。この三人は、一緒になって楽しく暮らしています。特に、真ん中の質量くんに注目してください。穏やかで落ち着いていますね。
そんなある日、「力が働くよ～」というお達しが来ました。ここで、運動くんが姿を変えます！
なんと、運動くんがきっちりしました！この運動くんは力が働いたときにどのように運動するのかをルールとして理解して、その通りに動きます。そのルールとは、「力を伝える粒子」に関する次のようなルールです。
力を伝える粒子は「ゲージ粒子」と呼ばれているので、Gが頭についています。ゲージ粒子の運動くんは楽しそうに走っていますが、質量くんは0くんに付きまとわれて悲しそうです。しかし0くんも悪者ではなく、質量くんがいると全体として都合が悪くなるので、質量くんが表に現れないようにしています。
そんなある日、異変が起こりました。これは、ヒッグス場と呼ばれている状態なのですが、（ゲージ粒子じゃない）質量くんが慌てだしました！
あんなに落ち着いていた質量くんがこんなに取り乱してしまうとは...。せっかく3人で楽しく暮らしていたのに、これは困りました。相互作用くんも心配しています。
これは、落ち着いてもらったほうが良いので...
相互作用くんがいい感じにツッコミをいれて、質量くんは落ち着きを取り戻すことができました。おや？なにか吐き出しましたね...。
一方そのころ、ゲージ粒子の質量くんはというと
上から先ほどの自由が飛んできて...
なんと、0くんが弾き飛ばされてしまいました！これで、晴れてゲージ粒子の質量くんは存在できるようになりました。
めでたしめでたし。
少々解説:
これは、対称性の自発的破れによる質量獲得機構のうち、簡単な例としてゲージ粒子の質量獲得機構をイラストにしたものです。質量くんが慌てた状況というのはかなり不安定な状況です。この状況から脱却するには、ちゃんと「一番エネルギーの低いところ」から全体の状況を見てあげる必要があります。この「視点を変える」操作を「対象性の自発的破れ」といいます。これは、メキシカンハットをひっくり返したところや、ワイングラスの底を想像してもらうとわかりやすいです。小人になって、真ん中の出っ張った部分から周りを見渡すと、360°同じ景色が広がっています。しかし、ちょっと足を踏み外すと落っこちてしまうような不安定な場所です。なので、落っこちましょう。すると、とっても安定です。ここで、また坂を上るのは大変ですが、一番低いところをぐるっと回るのは楽です。実は、この楽な部分は南部-ゴールドストンボソンと呼ばれ、質量0の粒子です。これが、ゲージ粒子に「吸収」されることにより、質量分の自由度を獲得します。
ここでは、わりと式変形に準拠した解説をしてみました。ちゃんと詳しく勉強したい方は、以下の教科書が非常におすすめです。
この本は非常に行間が少なく丁寧に書かれているので、学部２年程度の知識があればわからないところをネットで調べるなどしながら読み進めることが可能だと思います。興味のある大学生や頭のいい中高生はぜひ勉強してみてください！
一巻は↓
