TED日本語 - ジャン・ジュディチェ: ヒッグス粒子が語りかける宇宙の運命



TED日本語 - ジャン・ジュディチェ: ヒッグス粒子が語りかける宇宙の運命

TED Talks

Why our universe might exist on a knife-edge
Gian Giudice




So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There's no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.

But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.

Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.

But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.

During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field. And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time, just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.

But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denser than what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don't expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.

But let's go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.

Is this a problem? Yes, it's a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.

So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it's equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.

So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation. The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.

So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It's even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.


Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.

But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30,35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.

My story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.

But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.

Thank you.


去年の7月4日は 「大型ハドロン衝突加速器(LHC)」の実験で ヒッグス粒子が発見された 歴史的な日でした 今後は間違いなく 7月4日は米国独立記念日としてでなく ヒッグス粒子発見の日として - 少なくとも CERN ( 欧州原子核研究機構)では - そう記憶されるでしょう

しかし その日に私が最も驚いたのは 意外な結果が発表されなかったことです 理論物理学者にとって ヒッグス粒子の発見で 他の素粒子がどうやって質量を得たのかがうまく説明できますが それだけでは十分ではなく 完全な答えだとは思えないのです あまりに多くの疑問点が残されています ヒッグス粒子は他の素粒子のように 美しさ 対称性 優雅さを持ち合わせていません この理由で理論物理学者の大半は今回 発見された - ヒッグス粒子以外にもっと何かがあるはずだと 確信しています ヒッグス粒子に伴う新しい素粒子や 現象を期待していたのです しかし現在のところLHCでの測定値からは 新しい素粒子や予期しない現象の兆候は 検知されていません

勿論 これで はっきり決まった訳ではありません 2015年にLHCは 陽子を現在の2倍近いエネルギーで衝突させ このさらに高エネルギーの衝突で 粒子の世界を もっと探索出来 もっと色々な事が解るでしょう

今の所 新しい現象の証拠は 見つかっていないので 今見つかっているヒッグス粒子を含む 素粒子だけが 自然界に存在する全ての素粒子だと仮定しましょう さらに高エネルギーで探索しても これだけだと仮定するわけです その仮定ではどうなるか考えて見ましょう 宇宙に関して 驚くべき面白い結果が分かるでしょう これを説明するために まず ヒッグス粒子がどんなものかお話しします それにはビッグバンの 百億分の1秒後に 戻らなければなりません ヒッグス理論によると その瞬間 宇宙では 劇的な事が起きました 時空が相転移したのです それは摂氏零下になった時に 水が氷に変わることに非常によく似ていますが 時空の相転移は 物質内の分子の並び方が変化するのとは異なり 時空を織り成すものそのものの変化なのです

この相転移の間何もなかった空間は ヒッグス場と呼ばれるもので埋め尽くされました これは見えないかもしれませんが 明らかに存在し 常に私たちの周りにあります この部屋の空気の様なものです 素粒子の中には ヒッグス場と相互作用を起こしエネルギーを得るものもあります この内在するエネルギーこそが 粒子の「質量」なのです ヒッグス粒子の発見により LHCはこの場の存在が正しいと結論を出したのです ヒッグス粒子を生み出すものだからです これがヒッグスに関する簡単な説明です

しかし この話はそれよりもっと面白いのです ヒッグス理論を研究する 理論物理学者は 実験からでなく 数学の力で ヒッグス場は必ずしも今日 見る様な姿で 存在するとは限らないと発見したのです 物質が液体や固体の状態で存在する様に 時空を埋め尽くすヒッグス場も 2種類の状態で存在するかもしれません 既知のヒッグスの状態以外の もう1つの状態のヒッグス場は 現在見られるより何十億倍のそのまた何十億倍もの高密度で この様なヒッグス場存在そのものが 問題であるかもしれません なぜなら量子力学の法則によると 2つの状態を隔てる エネルギー障壁があっても その2つの状態の間に - 転移があり得 - その現象を - とても適切な呼び名ですが量子トンネル現象と呼びます 量子トンネル効果で 私もこの部屋から壁を通り抜け 隣の部屋に現れる事があり得はしますが 今 実際 私がそれをやるのを期待しないで下さい なぜなら私が壁を通り抜ける その可能性の確率は驚く程 微々たるもので 起きるのを待っていたら気の遠くなる程 待たなくてはなりません とは言っても 量子トンネル効果は現実の現象です あらゆるシステムで見られます 例えば トンネルダイオードなどの 電子機器に使われる部品がそうです 量子トンネル効果の 驚異の力のお陰です

ヒッグス場にもどります 超高密度のヒッグス場が存在するなら 量子トンネル効果で - ある時 宇宙のある場所で この凝縮状態の泡が 突然現れる事があるかもしれません それは水が沸騰するのに似ていて 水蒸気の泡が水の中に出来 膨張し液体が気体になるように 量子トンネル効果により超高密度のヒッグス状態の泡が 現れるかもしれません この泡は光速で膨張し 空間を満たしヒッグス場を それまでの状態から 新しい状態へと変えます

これは問題でしょうか?そうです 大きな問題です 普段 生活では気がつかないでしょうが ヒッグス場の強度は物質構成に 決定的に作用します もしヒッグス場がほんの数倍強かったなら 原子は収縮し 原子核内で中性子は崩壊し原子核はバラバラになり 水素だけが 宇宙の元素となるでしょう 超高密度のヒッグス状態でのヒッグス場は 今より数倍の強度だけでなく 何十億倍も強いものです もし時空がこのヒッグス状態で埋まっているなら 原子物質は全て崩壊するでしょう どんな分子構造ももちろん生命などあり得ないでしょう

それで未来にはヒッグス場が相転移を起こし 量子トンネル効果の結果 このように大変な 超高密度の状態に 変わる事があり得るか? 言い換えると 我われの住む宇宙の ヒッグス場の運命を疑問に思うわけです この質問の答の 決定的要因はヒッグス粒子の質量です LHCでの実験で ヒッグス粒子の質量は 約126 GeV だと分りました 日常使われている単位からすると 10マイナス22乗グラム位にしか 匹敵しない小さなものですが 1本のDNAを構成する総分子の重さと等しいので 素粒子物理学の単位では 大きなものです

LHCからの情報を使い CERNの仲間と共に 私たちの宇宙が 超高密度のヒッグス場に 量子トンネル現象を起こす確率を計算したら 面白い結果がでました 計算されたヒッグス粒子の - 質量はとても特別なものだと - 分ったのです 宇宙を不安定な状態にしておくのに - その質量は丁度の値なのです ヒッグス場は今まで何とか存在して来た様な - 不安定な状態にありますが - いつかは崩壊するでしょう 計算によると 私たちは 崖の上にテントを張ったキャンパーの様なものです 最後にはヒッグス場は - 相転移を起こし - 物質は自己崩壊するでしょう

これが人類滅亡のシナリオでしょうか? そうではないと思います 計算では ヒッグス場の量子トンネル現象は 10の100乗年内には起らない見込みです 随分先の話です それはイタリアが 安定した政府を築くよりずっと先の話です


そうだとしても それまでには人類は絶えているでしょう 今から約50億年後には 私たちの太陽は赤色巨星になり 地球軌道に迫るほど膨張します そうなれば 地球はおしまいです 1兆年後には - 暗黒エネルギーが今の割合で 宇宙の拡張を加速していれば 周りのすべてが光速より速く拡張しているでしょうから 私たちは自分の足元さえ 見ることはできないでしょう なので 人類は ヒッグス場の崩壊を見る事はあり得ないでしょう

ヒッグス場の転移に 私が関心を持つ理由は ヒッグス粒子の質量が なぜそのような特別な値をしているか と問いかけたいからです なぜその質量の値が宇宙を - 相転移の瀬戸際の状態にして置くのに丁度なのでしょう 理論物理学者は常に「なぜ」という質問を持ちます 現象がなぜ起きるかというよりも 理論物理学者が関心を持つのは 現象がなぜ その様に起きるかということです この「なぜ」という質問は自然の根本的原理に関しての - ヒントをもたらしてくれると理論物理学者は思うからです 実際 私の質問への答えは 文字通り 新しい複数の宇宙へと導いてくれるでしょう 私たちの宇宙は泡だった石鹸のような 多元宇宙の中のたった1つの宇宙にしかすぎず その1つ1つの泡は 独自の基本的な物理定数や 物理の法則があると 憶測されています こう考えるとヒッグス粒子の質量といっても ある特定の値を発見する確率を語ることしか今出来ません その神秘の鍵は - 多元宇宙の統計的特性に - あるかもしれません それはビーチの砂浜で - 起きてる事に似ています 原理的にはビーチにあらゆる傾斜角を有する 砂丘が存在するはずですが しかし 典型的な傾斜角は 30度から35度です その簡単な理由は 風が砂を積み上げ その後重力で又滑り落ちるからです その結果 砂丘の山の大半は 崩壊寸前の臨界値に近い角度の傾斜にあるのです 多元宇宙のヒッグス粒子にも 同じ様なことが起きているかもしれません 多元宇宙の殆どでは ヒッグス粒子の質量は臨界値 に近く ヒッグス場の宇宙崩壊寸前の値なのかもしれません 2つの競合する影響の結果 砂丘と似た現象が起こっているのかもしれません

この話の終わりは まだ分らないので - これで終わりではありません 進行中の科学です この謎を解くにはまだもっとデーターが必要です LHCが すぐに新しい手がかりを もたらしてくれることが期待します ヒックス粒子の質量ただこの数字だけですが これから分る事が多いのです 今まで探索された範囲を超えてでも 宇宙にある素粒子は 既知のものだけという仮定から始めました これから分ったことは時空を埋め尽くすヒッグス場は 宇宙崩壊寸前の 非常に不安定な状態にあるかもしれないことであり また私たちの宇宙は 多元宇宙という 巨大なビーチの砂の1粒でしかないのでは - という仮定が正しいということの手掛かりを得ました

この仮説が正しいかどうか分りません これが物理の世界ですたった1つの測定値が 新しい宇宙の理解への道を開いてくれるか 我々を行き詰まらせてしまうかです どちらにせよ - はっきり言える事は1つ - これからの探求の旅は驚きで満たされているでしょう



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