物質なのに質量ゼロの光子の謎も説明！質量を生み出す「ヒッグス粒子」とは？

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CERN研究所のLHC（大型ハドロン衝突型加速器）が2012年に新たに発見した素粒子「ヒッグス粒子」。

この素粒子については、質量を生み出す「神の粒子」として物理に興味がない人でも耳にしたことがあるでしょう。

この粒子の説明を聞いたとき、「質量の起源となる素粒子が見つかったなら、それってつまり重力子が見つかったってことなの？」と勘違いした人もいるかもしれません。

しかし、重力を生み出す素粒子「重力子（グラビトン）」は今も未発見のままです。

質量の起源となる素粒子は、なぜ重力とは関係ないのでしょうか？

今回は質量を生み出すヒッグス粒子がどんな粒子なのかを解説するとともに、「質量と重力は何が違うのか？」「質量はどうやって生まれるのか？」という疑問について解説していきます。

目次

質量とは何か？物質なのに質量ゼロの光子の謎ヒッグス粒子ってなんなの？「質量」は「重さ」じゃない！重力を伝える重力子とは何なのか？

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質量とは何か？物質なのに質量ゼロの光子の謎

物質がたくさん集まれば質量は大きくなる / Credit:Depositphotos

私たちはどんな物質であれ、どんどん大きくなって物質の量が多くなれば質量が大きくなることを知っています。

小さな子供より、お相撲さんのほうが質量は大きくなりますし、密度の小さいアルミより密度の大きい鉄（スチール）の方が、同じ大きさでも質量が大きくなります。

質量という単位を厳密に定義することは非常に難しい問題ですが、これは簡単に言ってしまえば、そこに含まれている物質がどれだけあるのかという量を示す値と言えます。

普通に暮らしている分には、質量とはこういう単純な理解で問題はありません。

しかし、物理学者たちは量子力学という世界を発見し、物質を作り出す最小単位の世界を覗き見るようになりました。

このとき問題になったのが、素粒子1つ1つの質量はどうやって決まっているのかという問題でした。

例えば原子は原子核に含まれる陽子と中性子の数で重さが決まります。この陽子と中性子は「クォーク」と呼ばれる素粒子の集まりです。

そのためクォーク1つ1つには当然質量があります。

しかし、ここで問題となったのが同じ素粒子でも、質量がゼロというとんでもない存在がこの世界に存在することです。

それが光子です。光子は質量を持ちません。

光子は質量を持たない / Credit:canva

さきほど、質量は物質の量だという話をしましたが、では光子はこの世界に物質として存在しないのでしょうか？

当然そんなことはありません。

光子はたしかに物質としての存在を持っていて、粒子として観測すれば1つ2つと数えることができ、この世界でさまざまな仕事をすることができます。

では、なぜ光子は質量を持たないのでしょうか？

この問題に答えるためには「物質がこの世界に存在すれば、そこには自然と質量が生じる」という考え方を捨て去らなければなりません。

質量には明らかになんらかの原因があり、その結果として生じていると考えられるのです。

量子論は当然、それが何らかの素粒子との相互作用によって生じると予測します。

そして発見されたその「何らかの素粒子」が、ヒッグス粒子なのです。

つまり質量とはヒッグス粒子との相互作用で生じていたのです。

しかしそれは一体何を意味するのでしょうか？　一体この世で質量が生じるメカニズムとはどういうものなのでしょうか？

ヒッグス粒子ってなんなの？

ヒッグス粒子は、質量をこの世界に生み出している素粒子です。

ヒッグス粒子は通常見ることもできないかすかな存在ですが、宇宙を海のように満たしています。

そして、空間を満たすヒッグス粒子は、他の物質にまとわりつくような性質があり、これによって物体に質量が生じているというのです。

そのため多くの解説では、この粒子は物質を空間にくっつける「糊のような粒子」だと説明されています。

ヒッグス粒子は素粒子と相互作用して質量を生み出す。光子はヒッグス粒子と相互作用しないため質量を持たない / Credit:ナゾロジー編集部,canva

クォークなどの素粒子はヒッグス粒子と相互作用するため、質量が生まれます。

しかし、光子はヒッグス粒子と相互作用しません。

そのため光子はこの世界に物質として存在しながら、質量を持たないのです。

だから光子はこの世界で最も速い速度で移動します。物理学的に可能な最高速度が光速度である理由もここにあります。

あれ？　そうするとアインシュタインが発見した偉大な方程式「E = mc2」が成立しなくなるんじゃない？　と疑問を浮かべる人もいるかもしれません。

たしかに質量mがゼロの光子は、この公式に当てはめた場合エネルギーEがゼロになってしまい、結局光子の存在は否定されるように感じます。

しかしこの公式が表しているのは静止質量と静止エネルギーであり、光子はただの一瞬たりとも絶対に止まることなく、どんな状況でも常に光速で動き続けることでこの問題を解決しています。

つまり光子は「質量を持たない」のと引き換えに「絶対に止まることができない」という性質を持つことになったのです。

質量の起源にまで人間の知識が及んだことから、ユーモアのあるノーベル受賞物理学者レオン・レーダーマンは自らの著書の中で、このヒッグス粒子のことを「神の粒子（God particle）」と表現しました。

これは質量（mass）とキリスト教のミサ（mass）が同じ綴りだからというジョークでもあり、また神が神秘のヴェールで隠していた領域についに人間が踏み込んだ記念碑的な発見だからという意味もあったようです。

ただ、神の粒子という言葉はメディアとの相性が良すぎて、世界でセンセーショナルに広まりすぎてしまいました。

そのため米国で素粒子研究を行うフェルミ研究所では、一般公開の際、敬虔なキリスト教徒が神の粒子の説明を求めて見学に訪れるようになり、ビッグバン理論の説明を聞いて気を悪くして帰っていくということが繰り返されたようです。

少し話しが逸れましたが、ヒッグス粒子を単純に説明するならそれは極めて簡単なことで、単に他の物質の動きをひっついて邪魔するというだけです。

これが質量を生み出す原因だとすると、ちょっと気になる問題が出てきます。

それは質量を生むヒッグス粒子は重力の問題とは関係がないのか？　ということです。

多くの人は「質量が大きい＝重力に強く引っ張られる性質」と理解していると思います。しかしヒッグス粒子の動きを邪魔するという性質は、この理解ではうまく飲み込めません。

こういう疑問が浮かんでしまう原因は、「質量」と「重さ」という概念を同一視してしまっている人が多いためでしょう。

そのため、質量を生む素粒子って重力子じゃないの？　と思ってしまう人もいるかもしれません。

この問題を理解するためには、まず「質量」と「重さ」が異なる性質であることを理解する必要があります。