케이 중간자

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1. 개요
2. 기본 성질
- 2.1. 쿼크 모델
- 2.2. 붕괴 모드
3. 역사
- 3.1. 기묘도 (Strangeness)
- 3.2. 중성 케이온 혼합과 CP 대칭성 깨짐
참조

1. 개요

케이 중간자는 아이소스핀 이중항을 형성하는 네 종류의 중간자이다. 스트레인지니스가 +1인 K⁺와 K⁰, 그리고 이들의 반입자인 K^-와 $\overline{K^0}$ 으로 구성된다. K⁺는 업 쿼크와 반 스트레인지 쿼크로, K⁰는 다운 쿼크와 반 스트레인지 쿼크로 이루어져 있다. 중성 케이온은 K-short (K_S)와 K-long (K_L)의 두 형태로 존재하며, K_S는 주로 두 개의 파이온으로, K_L은 세 개의 파이온으로 붕괴한다. 케이 중간자는 1940년대에 발견되었으며, 약한 상호작용을 통해 붕괴하며, 붕괴 과정에서 CP 대칭성이 깨지는 현상이 관찰되었다. 이러한 CP 대칭성 깨짐 현상은 표준 모형의 CKM 행렬을 통해 설명되며, 물질-반물질 비대칭성을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

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케이 중간자
입자 정보
이름	케이온
케이온 마이너스
구성	$egin{matrix}K^+&: & uar s\K^0&: & dar s&/&s ar d\K^-&: & sar und{matrix}$
통계	보손
군	중간자
상호작용	강한, 약한, 전자기, 중력
반입자	: : ⁰ :
이론화	해당 없음
발견	1947년 (버틀러, 로체스터)
기호	K⁺, K⁰, K⁻
질량	K^±: 493.667 ±0.013 MeV/c² K⁰: 497.648 ±0.022 MeV/c²
평균 수명	: : :
전기 전하	K^±: ±1 e K⁰: 0 e
스핀	0 ħ
기묘도	, : +1 , : −1
아이소 스핀	, : + , : −
패리티	−1
C 패리티	해당 없음

2. 기본 성질

케이 중간자는 쿼크 모델에 따라 네 가지 종류로 구분된다.^[1]^[2] K⁺와 K^-는 서로 입자-반입자 관계이며, K⁰와 $\overline{K^0}$ 도 마찬가지이다.

K⁺: 업 쿼크와 반스트레인지 쿼크로 구성되어 있으며, 질량은 MeV이고, 평균 수명은 s이다.
K^-: 스트레인지 쿼크와 반업 쿼크로 구성되어 있으며, CPT 불변성에 의해 K⁺와 질량 및 수명이 같다.
K⁰: 다운 쿼크와 반스트레인지 쿼크로 구성되어 있으며, 질량은 MeV이다.
$\overline{K^0}$ : 스트레인지 쿼크와 반다운 쿼크로 구성되어 있으며, K⁰와 질량이 같다.

중성 케이온(K⁰,

\overline{K^0}

)은 K_S와 K_L의 두 가지 형태로 존재한다.^[3]^[6]

K_S: 주로 두 개의 파이온으로 붕괴하며, 평균 수명은 s이다.
K_L: 주로 세 개의 파이온으로 붕괴하며, 평균 수명은 s이다.

1964년, 제임스 크로닌과 밸 피치는 K_L이 두 개의 파이온으로 붕괴하는 현상을 발견하여 CP 대칭성이 깨짐을 보였다.

케이 중간자의 성질^[1]^[2]^[3]^[6]
입자 이름	반입자 기호	쿼크 조성	I^G	J^PC	S
K⁺			⁻	0⁻	1
K⁰			⁻	0⁻	1
K_S	자기 자신	$\mathrm{\tfrac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}}\,$	⁻	0⁻
K_L	자기 자신	$\mathrm{\tfrac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}}\,$	⁻	0⁻

2. 1. 쿼크 모델

쿼크 모델에서 케이온은 아이소스핀 이중항을 형성한다. 즉, SU(2)의 기본 표현인 '''2'''에 속한다. 스트레인지 부호가 +1인 이중항은 K⁺와 K⁰를 포함하며, 이들의 반입자는 스트레인지 부호가 -1인 다른 이중항을 형성한다.

케이온의 쿼크 구성은 다음과 같다.

K⁺: 업 쿼크와 반스트레인지 쿼크

K^-: 스트레인지 쿼크와 반업 쿼크

K⁰: 다운 쿼크와 반스트레인지 쿼크

$\overline{K^0}$ : 스트레인지 쿼크와 반다운 쿼크

K⁺와 K^-는 서로 입자-반입자 관계이며, K⁰와

\overline{K^0}

도 마찬가지이다.

2. 2. 붕괴 모드

wikitext

K⁺의 주요 붕괴 모드는 다음과 같다.^[1]

붕괴 모드	분기비

K^-의 붕괴 모드는 K⁺의 붕괴 모드에서 입자와 반입자를 바꾼 것과 같다.^[1]

3. 역사

1944년, 루이 르프랭스랭게는 양전하를 띤 무거운 입자의 존재에 대한 증거를 발견했다.^[9]^[10] 1947년, 조지 로체스터와 클리포드 찰스 버틀러는 우주선에서 생성된 입자의 궤적을 관찰하던 중, 중성 입자가 두 개의 전하를 띤 파이온으로 붕괴하는 현상과 전하를 띤 입자가 전하를 띤 파이온과 중성 입자로 붕괴하는 현상을 발견했다. 이들은 이 새로운 입자를 "V 입자"라고 명명했다.

케이온의 3 파이온 붕괴 모드를 보여주는 "k 트랙 플레이트". 케이온은 왼쪽에서 들어와 A 지점에서 붕괴한다.

1949년, 로즈마리 파울러는 세 개의 파이온으로 붕괴하는, V 입자와 매우 비슷한 질량을 가진 입자를 발견하였다.^[11]^[13] 초기에는 이 두 붕괴 모드가 서로 다른 입자에 의한 것으로 생각되었으나, 이후 약한 상호작용에서 패리티 보존 법칙이 깨진다는 사실(우젠슝의 우 실험)이 밝혀지면서 동일한 입자(케이온)의 서로 다른 붕괴 모드임이 밝혀졌다.^[7]

1950년대에 칼텍 연구진이 더 많은 자료를 얻기 위해 마운트 윌슨에 구름 상자를 설치하면서 케이온 연구가 본격화되었다.

3. 1. 기묘도 (Strangeness)

케이온의 붕괴는 강한 상호작용에 의한 생성 과정에 비해 매우 느리게 일어난다. (생성: ~10^-23초, 붕괴: ~10^-10초) 이러한 불일치를 설명하기 위해 아브라함 파이스는 "기묘도(Strangeness)"라는 새로운 양자수를 도입했다.^[1] 기묘도는 강한 상호작용에서는 보존되지만, 약한 상호작용에서는 보존되지 않는다. 케이온은 기묘 입자와 반기묘 입자가 쌍으로 생성되는 "연관 생성" 방식으로 인해 많이 생성될 수 있다.

3. 2. 중성 케이온 혼합과 CP 대칭성 깨짐

중성 케이온(K⁰)은 기묘도를 가지므로 자신의 반입자가 될 수 없다. 따라서 기묘도가 다른 두 종류의 중성 케이온이 존재해야 한다. 이 두 중성 케이온은 약한 상호작용을 통해 서로 변환될 수 있으며, 이를 "중성 입자 진동"이라고 한다. 머레이 겔만과 아브라함 파이스는 이 진동 현상을 이론적으로 연구했다.^[15]

처음에는 순수한 빔이 전파되는 동안 반입자인 로 바뀌고, 다시 원래 입자인 로 바뀌는 현상이 반복된다. 약한 붕괴의 '렙톤' 관찰 결과, 는 항상 양전자로 붕괴되었고, 반입자인 는 전자로 붕괴되었다. 이전 분석은 순수한 및 반입자 에서 생성된 전자 및 양전자 생성률 사이의 관계를 도출했다. 이 반렙톤 붕괴의 시간 의존성 분석은 진동 현상을 보여주었고, 과 사이의 질량 분리를 추출할 수 있게 했다. 이것은 약한 상호 작용으로 인해 매우 작으며, 각 상태의 질량의 10⁻¹⁵배이다.

중성 케이온 빔이 비행 중에 붕괴하여 단명 가 사라지고 순수한 장명 빔이 남게 된다. 이 빔을 물질에 쏘면 와 반입자 가 핵과 다르게 상호 작용한다. 는 핵자와 준탄성 산란을 겪는 반면, 반입자는 하이페론을 생성할 수 있다. 두 입자 간의 양자 간섭은 두 구성 요소가 개별적으로 관여하는 서로 다른 상호 작용으로 인해 손실된다. 그러면 생성된 빔은 와 의 서로 다른 선형 중첩을 포함하게 된다. 이러한 중첩은 과 의 혼합물이며, 는 중성 케이온 빔을 물질을 통과시켜 재생성된다.^[16] 재생성은 로렌스 버클리 국립 연구소에서 오레스테 피치오니와 그의 동료들에 의해 관찰되었다.^[17] 그 직후, 로버트 애데어와 그의 연구진은 과도한 재생성을 보고하여 이 역사에 새로운 장을 열었다.

CP 대칭성은 전하(C)와 반전(P)을 동시에 변환했을 때 물리 법칙이 동일하게 유지되어야 한다는 대칭성이다. 처음에는 약한 상호작용에서 CP 대칭성이 보존되는 것으로 생각되었다. 중성 케이온에는 수명이 짧은 K-short (K_S)와 수명이 긴 K-long (K_L)의 두 가지 상태가 있는데, 초기에는 K_S는 CP = +1, K_L은 CP = -1의 고유상태를 가지는 것으로 생각되었다. 이에 따르면 K_S는 두 개의 파이온으로 붕괴하고, K_L은 세 개의 파이온으로 붕괴한다.

그러나 1964년 제임스 크로닌과 발 피치는 브룩헤븐 국립 연구소의 교대 경사 가속기에서 수행된 피치-크로닌 실험에서 K_L이 두 개의 파이온으로 붕괴하는 현상을 발견했다.^[18] 이는 CP 대칭성이 깨진다는 것을 의미한다. 프린스턴 대학교의 제임스 크로닌, 발 피치, 르네 튀를레는 애더의 결과를 검증하는 과정에서 이와 같은 사실을 발견했다. 비선형 양자 역학 및 관찰되지 않은 새로운 입자(하이퍼광자)와 같은 대안적 설명은 곧 배제되었고, CP 위반만이 유일한 가능성으로 남았다. 크로닌과 피치는 이 발견으로 1980년에 노벨 물리학상을 수상했다.

이후 K_L과 K_S는 약한 상호작용의 고유 상태이지만, 엄밀하게 CP 고유 상태는 아닌 것으로 밝혀졌다. 대신, 작은 ε에 대해 (정규화까지),

: = '''K₂''' + ε'''K₁'''

그리고 에 대해서도 마찬가지이다. 따라서 가끔 은 '''CP''' = +1인 '''K₁'''로 붕괴되며, 마찬가지로 도 '''CP''' = −1로 붕괴될 수 있다.

중성 케이온의 CP 대칭성 깨짐은 두 가지 형태로 나타난다.

# '''간접 CP 위반''': 과 그 반입자의 혼합으로 인해 발생한다.

# '''직접 CP 위반''': 붕괴 자체에서 발생한다.

두 현상 모두 W 보손과의 동일한 상호작용에서 발생하므로 CKM 행렬에 의해 예측된 CP 위반을 갖기 때문이다. 직접 CP 위반은 2000년대 초에 CERN과 페르미랩에서 NA48 및 KTeV 실험에 의해 케이온 붕괴에서 발견되었다.^[19]

참조

_[1] 웹사이트 Particle listings – {{SubatomicParticle|Kaon+-}} http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[2] 웹사이트 Particle listings – {{SubatomicParticle|Kaon0}} http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[3] 웹사이트 Particle listings – {{SubatomicParticle|K-short0}} http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[4] 웹사이트 The CKM Matrix and CP Violation https://www.hep.phy.[...] 2024-06-02
_[5] 웹사이트 Parity, Charge Conjugation and CP https://www.soton.ac[...] 2024-06-02
_[6] 웹사이트 Particle listings – {{SubatomicParticle|k-long0}} http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[7] 간행물 Question of Parity Conservation in Weak Interactions 1956-10-01
_[8] 서적 CP Violation Cambridge University Press 2016-10-06
_[9] 간행물 Tracking Louis Leprince-Ringuet's contributions to cosmic-ray physics http://physicstoday.[...]
_[10] conference Centenary Symposium 2012: Discovery of cosmic rays American Institute of Physics
_[11] 웹사이트 Physicist pioneer, 98, honoured 75 years after discovery https://www.bbc.com/[...] 2024-07-23
_[12] 간행물 How a forgotten physicist's discovery broke the symmetry of the Universe https://www.nature.c[...] 2024-07-23
_[13] 간행물 Part 2: Observations with electron-sensitive plates exposed to cosmic radiation
_[14] 서적 Introduction to Elementary Particle John Wiley & Sons
_[15] 간행물 FLAG Review 2019
_[16] 간행물 Note on the Decay and Absorption of the θ⁰ 1955-12-01
_[17] 간행물 Regeneration of Neutral K Mesons and Their Mass Difference 1961-11-15
_[18] 간행물 Evidence for the 2π Decay of the K₂⁰ Meson 1964-07-27
_[19] 서적 Multiparticle Dynamics 2001

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