138億年前、

点にも満たない極小のエネルギーの塊から

この宇宙は誕生した。

そこから物質、地球、生命が生まれ、

私たちの存在に至る。

しかし、ふと冷静になって考えると、

誰も見たことがない「宇宙の起源」を

どのように解明するというのか、

という疑問がわかないだろうか？

『宇宙と物質の起源』

1個の素粒子に注目したとき、

右と左はどう定義すればよいでしょう。

静止した1つの点には右も左もありません。

しかし、現実の素粒子は、

「スピン」という重要な性質をもちます。

スピンとは、

素粒子がもつ、

あたかもスピン（自転）している

かのような性質のことです。

量子論の一般的な制限によって

自転の速さには最小単位があって、

多くの素粒子はその最小の

大きさのスピンをもって自転しており、

決して止まることはありません。

では、その回転は、どっち向きなのでしょう。

1個の素粒子にとって

北極と南極はどっちか、

という問題です。

もちろん、

何もない空間には北も南もありません

（磁場があれば別ですが、

今は磁場のない空間を考えることにします）。

方向のない空間に置かれた素粒子ですが、

ここに1つ基準となる方角があります。

その素粒子自身が走る方向です。

その方向に沿って自転の向きを

区別することができるでしょう。

進行方向に向かって時計回りに

回転する素粒子は右巻き、

反時計回りは左巻き、

という具合です（「図：素粒子のスピンの向き」）。

 

素粒子のスピンの向き

粒子の進行方向に右手の親指を突き出し、

残りの4本の指先が回る向きと

同じ向きに回るのが「右巻き粒子」、

同じことを左手で行ったときに

4本の指が回るのと

同じ向きに回るのが「左巻き粒子」です。

「弱い力」が働くのはどっち？

こうして定義した素粒子の右巻きと左巻き。

弱い力は、

これらのうち左巻きの粒子だけに

働くことがわかっています。

驚いたことに、

弱い力は、

右と左を完全に区別しているのです。

ここで、

ある重大な問題が残ります。

素粒子が走る方向を基準に右巻きと左巻きを

定義できると述べましたが、

では静止した素粒子ではどうなるのでしょうか。

もはや右と左は区別ができないではないか。

そのとき、

弱い力は働くのでしょうか、

働かないのでしょうか。

実際には、

質量ゼロの粒子は静止することはなく、

必ず光速で飛びます。

特殊相対性理論には、

どんなに速く走る観測者が見ても

光速は光速のままで一定値になる

という原則があります。

光速で飛ぶ粒子

（光、つまり光子もそうです）は、

誰が見てもやはり光速で飛ぶのです。

そこでは右巻きと左巻きを、

あいまいさなく区別することができます。

弱い力は、

このうちの左巻きだけに働くということです。

すべての素粒子は

もともと質量ゼロ

右巻きの素粒子と左巻きの素粒子は、

弱い力を考えると、

まったくの別物だということがわかりました。

これらをあいまいさなく区別できるということは、

そもそもこれらの素粒子は

質量ゼロだったからということです。

現在の宇宙では、

ほとんどの素粒子は質量をもっていますが、

これは何らかの理由で右巻きと左巻きの

粒子が常にかつ瞬時に入れ替わり

続けているためなのです。

弱い力が働くのは、

そのうちの左巻きになった瞬間にだけ。

なんとも不思議な感じがしますが、

こう考えるより他にないのです。

質量の起源が問題にされる理由が、

ここにあります。

もともと質量ゼロだった素粒子に、

いったい何が起こって質量をもつに至ったのでしょうか。

ここまでの中に、

すでにヒントがあります。

クォークと反クォークが真空に埋まる、

という話です。

真空を走るクォークが真空に埋まった

反クォークと対消滅し、

その瞬間にもう1個のクォークをたたき出す。

それが質量の源だという話でした。

この真空中の玉突き衝突ですが、

もう少し正確に言うと、

クォークが真空で玉突きを起こすたびに、

その右巻きと左巻きが入れ替わる

ようになっているのです。

右巻きと左巻きの入れ替わりと質量の生成は、

こうして密接に対応しているのです。

電子は強い力を感じないので、

真空中に埋まったクォーク・反クォーク対は

電子の質量には無関係です。

しかし、

真空中に他の何かが埋まっていて、

電子の右巻きと左巻きを入れ替えてくれれば、

本来は質量ゼロだった電子に

質量をもたせることができるでしょう。

真空にはクォーク・反クォーク対の他にも

何かが埋まっているのか。

それは何でしょう？

真空に埋まった「もう1つの何か」

2012年、欧州合同原子核研究機構（CERN）から

「ヒッグス粒子発見」のニュースが伝えられました。

ヒッグス粒子は「素粒子標準理論の最後のピース」

あるいは「神の素粒子」などともいわれましたが、

いったいどういうことでしょう。

そう、このヒッグス粒子こそ、

真空に埋まっているもう1つの何かに

関係しているのです。

苦肉の策として導入されたのが

「ヒッグス場」だったのです。

ヒッグス場は、

量子色力学の場合の真空中に埋まった

クォーク・反クォーク対の役割を

果たすように導入されました。

ヒッグス場が真空中に凍りついて埋まっていると、

他の素粒子がそこで玉突きを起こして

右巻きと左巻きが入れ替わります。

クォーク・反クォーク対の場合と異なるのは、

それがクォークだけでなく電子などの粒子にも

働くことです。

おかげで電子が質量をもつことができました。

とうとう「ヒッグス粒子」の出番！

では、

電子の質量の大きさは、

どうやって決まっているのでしょう。

これはある意味単純で、

電子とヒッグス場との結合の強さというパラメータとして、

理論の中に入っているのです。

結合が強い粒子は重く、

結合の弱い粒子は軽いのです。

実は、

クォークもこのヒッグス場との結合をもつために、

ヒッグス場を通じても質量を得ています。

その大きさは電子よりも10倍程度大きいですが、

それでも陽子・中性子の質量を

説明するには小さすぎます。

クォークは、

真空中のヒッグス場にぶつかり、

さらにクォーク・反クォーク対にもぶつかり、

いわば多重衝突によって質量を得ているのです。

そのうちほとんどはクォーク・反クォーク対

によるもの、ということです。

質量が生まれる仕組みはこうして

説明することができますが、

それでも真空中に埋まったヒッグス場の

正体はいったい何かという問題は残ります。

クォークのように物質をつくっている

何かではなさそうです。

では、どんな性質をもったものなのか。

さらに調べるには、

その何かを真空からたたき出して

測定するのがよいでしょう。

それが始まったのが2012年、

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）実験でした。

ヒッグス場は、

素粒子に質量を与える役割を担っているだけあって、

ほとんどの粒子と結合をもちます。

結合の強さは、

それぞれの粒子の質量の大きさに

比例しているはずです。

それを確認できれば、

ヒッグス場が質量を生み出していることの

動かぬ証拠になります。

2012年以降、

この測定は目覚ましく進展し、

いくつかの軽い粒子を除いては、

この比例関係が確認されました

（軽い粒子はヒッグス場との結合が弱いので、

測定するのも難しいのです）。

素粒子に質量を与えているのは

真空中に埋まったヒッグス場。

この理解は、

これで確立したと言っていいでしょう。

＜参考：＞

高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所