에타 중간자

1. 개요

에타 중간자는 1956년 사카타 쇼이치가 예측한 입자로, 에타 프라임 중간자와 함께 쿼크 모형으로는 설명하기 어려운 질량 차이를 보인다. 에타 중간자는 1961년 로렌스 버클리 국립연구소에서 발견되었으며, 에타 프라임 중간자는 1964년 로렌스 버클리 국립연구소와 브룩헤이븐 연구소에서 동시에 발견되었다. 에타와 에타 프라임의 질량 차이는 't Hooft 인스턴톤 메커니즘, 즉 Witten–Veneziano 메커니즘으로 설명된다. 에타 중간자는 스핀 0, 음의 패리티를 가지며, 파이온과 밀접한 관련이 있다.

2. 역사

사카타 쇼이치는 1956년에 에타 중간자와 에타 프라임 중간자를 \(\pi^{0}{}'{}\)와 \(\pi^{0}{}'\)라는 이름으로 예측하였다. 에타 중간자는 1961년에 미국 로런스 버클리 국립연구소의 베바트론에서 파이온과 핵자를 충돌시키면서 발견되었고, 에타 프라임 중간자는 1964년에 미국의 로런스 버클리 국립연구소와 브룩헤이븐 연구소에서 동시에 발견되었다. 맵시 에타는 1980년에 두 공동연구에서 독립적으로 발견되었다.

2.1. 에타 중간자(η) 발견

사카타 쇼이치가 1956년에 에타 중간자와 에타 프라임 중간자를 \(\pi^{0}{}'{}\)와 \(\pi^{0}{}'\)라는 이름으로 예측하였다. 1961년 미국 로런스 버클리 국립연구소의 베바트론에서 파이온과 핵자를 충돌시키는 실험을 통해 아이후드 페브스너 등이 에타 중간자를 발견했다. 이는 팔정도의 제안이 대칭성에 근거한 새로운 입자들의 예측과 발견으로 이어지던 시점이었다. 에타 프라임 중간자는 1964년에 미국의 로런스 버클리 국립연구소와 브룩헤이븐 연구소에서 동시에 발견되었다. 맵시 에타는 1980년에 두 공동연구 (Partridge et al.과 Himel et al.)에서 독립적으로 발견하였다.

2.2. 에타 프라임 중간자(η') 발견

사카타 쇼이치는 1956년에 에타 중간자와 에타 프라임 중간자를 $\backslash pi^\{0\}\{\}\text{'}\{\}\text{'}$와 $\backslash pi^\{0\}\{\}\text{'}$라는 이름으로 예측하였다. 1964년에는 미국 로런스 버클리 국립연구소와 브룩헤이븐 연구소에서 에타 프라임 중간자를 동시에 발견하였다.

2.3. 맵시 에타(ηc) 발견

에타 중간자와 에타 프라임 중간자는 1956년에 사카타 쇼이치가 $\backslash pi^\{0\}\{\}\text{'}\{\}\text{'}$와 $\backslash pi^\{0\}\{\}\text{'}$라는 이름으로 예측하였다. 맵시 에타는 1980년에 두 공동연구(Partridge et al.과 Himel et al.)에서 독립적으로 발견하였다.

3. 특성

에타 중간자(η)와 에타 프라임 중간자(η′)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 에타-에타 프라임 문제라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.

3.1. 에타-에타 프라임 문제

에타 중간자와 에타 프라임 중간자의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측 (0) 보다 크다. 이를 에타-에타 프라임 문제라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.

에타 중간자와 에타 프라임 중간자의 질량 차이는 쿼크 모형으로는 자연스럽게 설명하기 어렵다. 이 "에타-에타 프라임 수수께끼"는 't Hooft 인스턴톤 메커니즘에 의해 해결될 수 있으며, 이는 구현으로 Witten–Veneziano 메커니즘이라고도 알려져 있다. 구체적으로, QCD에서 에타 프라임 중간자의 더 높은 질량은 매우 중요하다. 이는 양자화 과정에서 키랄 이상을 통해 명시적으로 깨지는 축 U(1) 고전 대칭과 관련되어 있기 때문이다. 따라서 "보호된" 에타 중간자 질량은 작지만, 에타 프라임 중간자는 그렇지 않다.

3.2. QCD와 에타 프라임 중간자

에타 중간자와 에타 프라임 중간자의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측 (0) 보다 크다. 이를 에타-에타 프라임 문제라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.

와 의 질량 차이는 쿼크 모형으로는 자연스럽게 설명하기 어렵다. 이 "에타-에타 프라임 수수께끼^영어"는 't Hooft 인스턴톤 메커니즘에 의해 해결될 수 있으며, 이는 구현으로 Witten–Veneziano 메커니즘이라고도 알려져 있다. 구체적으로, QCD에서 의 더 높은 질량은 매우 중요하다. 이는 양자화 과정에서 키랄 이상을 통해 명시적으로 깨지는 축 U(1) 고전 대칭과 관련되어 있기 때문이다. 따라서 "보호된" 질량은 작지만, 은 그렇지 않다.

3.3. 쿼크 구성

에타 중간자(η^영어)와 에타 프라임 중간자(η′^영어)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 에타-에타 프라임 문제라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.

η^영어 입자는 스핀이 0이고 음의 패리티를 갖는 가상 스칼라 메존 논넷에 속하며, η^영어와 η′^영어은 총 아이소스핀이 0이고, 스트레인지와 하이퍼차지가 0이다. η^영어 입자에 나타나는 각 쿼크는 반쿼크를 동반하며, 따라서 모든 주요 양자수는 0이고, 입자 전체는 "맛깔이 없다".

η^영어와 η′^영어 입자는 중성 파이온(π⁰)과 밀접하게 관련되어 있다.

3.3.1. SU(3) 대칭 쿼크 모형

에타 중간자($\backslash eta$)와 에타 프라임 중간자($\backslash eta\text{'}$)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '에타-에타 프라임 문제'라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.

가장 가벼운 세 개의 쿼크(u, d, s)에 대한 기본 SU(3) 대칭 쿼크 이론은 강력만 고려하여 다음과 같은 입자를 예측한다.

:$\backslash mathrm\{\backslash eta\}\_1\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash sqrt\; 3\}\; \backslash left(\; \backslash mathrm\{\; u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\; +\; s\backslash bar\{s\}\; \}\; \backslash right)\; ~,$
:$\backslash mathrm\{\backslash eta\}\_8\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash sqrt\; 6\}\; \backslash left(\; \backslash mathrm\{\; u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\; -\; 2s\backslash bar\{s\}\; \}\; \backslash right)\; ~.$

여기서 아래첨자 $\backslash eta\_1$은 (완전히 반대칭인) 싱글렛, $\backslash eta\_8$은 옥텟의 일부임을 나타낸다. 그러나 쿼크의 맛을 바꾸는 전약력은 고유 상태의 작지만 상당한 양의 "혼합"을 일으킨다. 실제 쿼크 구성은 다음 공식의 선형 조합이다.

:$\backslash left(\backslash begin\{array\}\{cc\}$
\cos\theta_\mathrm{P} & - \sin\theta_\mathrm{P} \\
\sin\theta_\mathrm{P} & ~~\cos\theta_\mathrm{P}
\end{array}\right) \left(\begin{array}{c} \mathrm{\eta}_8 \\
\mathrm{\eta}_1 \end{array}\right) =
\left(\begin{array}{c} \mathrm{\eta} \\ \mathrm{\eta'} \end{array}\right) ~.


$\backslash eta$는 실제로 관찰되고 $\backslash eta\_8$에 가까운 실제 입자를, $\backslash eta\text{'}$는 $\backslash eta\_1$에 가까운 관찰된 입자를 나타낸다.

$\backslash eta$와 $\backslash eta\text{'}$ 입자는 중성 파이온($\backslash pi^0$)와 밀접하게 관련되어 있다.

:$\backslash mathrm\{\backslash pi\}^0\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash sqrt\; 2\}\; \backslash left(\; \backslash mathrm\{\; u\backslash bar\{u\}\; -\; d\backslash bar\{d\}\; \}\; \backslash right)\; ~.$

$\backslash pi^0$, $\backslash eta\_1$, $\backslash eta\_8$는 위 쿼크($u$)반쿼크($\backslash bar\{u\}$), 아래 쿼크($d$)아래 반쿼크($\backslash bar\{d\}$), 기묘 쿼크($s$)기묘 반쿼크($\backslash bar\{s\}$)의 세 가지 상호 직교 선형 조합이다. 이들은 모든 주요 양자수가 0인 가상 스칼라 메존 논넷의 중심에 있다.

3.3.2. 쿼크 혼합

에타 중간자($\backslash eta$)와 에타 프라임 중간자($\backslash eta\text{'}$)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '에타-에타 프라임 문제'라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.

가장 가벼운 세 개의 쿼크(u, d, s)에 대한 기본 SU(3) 대칭 쿼크 이론은 다음과 같은 입자를 예측한다.
:$\backslash mathrm\{\backslash eta\}\_1\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash sqrt\; 3\}\; \backslash left(\; \backslash mathrm\{\; u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\; +\; s\backslash bar\{s\}\; \}\; \backslash right)\; ~,$
:$\backslash mathrm\{\backslash eta\}\_8\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash sqrt\; 6\}\; \backslash left(\; \backslash mathrm\{\; u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\; -\; 2s\backslash bar\{s\}\; \}\; \backslash right)\; ~.$

여기서 아래첨자 $\backslash eta\_1$은 싱글렛, $\backslash eta\_8$은 옥텟의 일부임을 나타낸다. 그러나 전약력은 고유 상태의 작은 양이지만 상당한 양의 "혼합"(혼합 각도 $\backslash theta\_P\; =\; -11.5^\backslash circ$)을 일으켜 실제 쿼크 구성은 이 공식들의 선형 조합이 된다.

:$\backslash left(\backslash begin\{array\}\{cc\}$
\cos\theta_\mathrm{P} & - \sin\theta_\mathrm{P} \\
\sin\theta_\mathrm{P} & ~~\cos\theta_\mathrm{P}
\end{array}\right) \left(\begin{array}{c} \mathrm{\eta}_8 \\
\mathrm{\eta}_1 \end{array}\right) =
\left(\begin{array}{c} \mathrm{\eta} \\ \mathrm{\eta'} \end{array}\right) ~.


실제로 관찰되는 입자는 $\backslash eta$($\backslash eta\_8$에 가까움)와 $\backslash eta\text{'}$($\backslash eta\_1$에 가까움)이다.

$\backslash eta$와 $\backslash eta\text{'}$ 입자는 중성 파이온($\backslash pi^0$)과 밀접하게 관련되어 있다.
:$\backslash mathrm\{\backslash pi\}^0\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash sqrt\; 2\}\; \backslash left(\; \backslash mathrm\{\; u\backslash bar\{u\}\; -\; d\backslash bar\{d\}\; \}\; \backslash right)\; ~.$

$\backslash pi^0$, $\backslash eta\_1$, $\backslash eta\_8$는 위 쿼크와 위 반쿼크, 아래 쿼크와 아래 반쿼크, 기묘 쿼크와 기묘 반쿼크의 세 가지 상호 직교 선형 조합이며, 가상 스칼라 메존 논넷의 중심에 있다.

3.3.3. 파이온과의 관계

에타 중간자(η)와 에타 프라임 중간자(η′)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 에타-에타 프라임 문제라고 부르며, 순간자로 설명할 수 있다.

η와 η′ 입자는 중성 파이온(π⁰)과 밀접하게 관련되어 있다. π⁰, η₁, η₈은 위 쿼크-반쿼크(uū), 아래 쿼크-반쿼크(dd), 기묘 쿼크-반쿼크(ss)의 세 가지 상호 직교하는 선형 조합이며, 모든 주요 양자수가 0인 가상 스칼라 메존 논넷의 중심에 위치한다.

η 입자는 스핀이 0이고 음의 패리티를 갖는 가상 스칼라 메존 논넷에 속하며, η와 η′은 총 아이소스핀이 0이고, 스트레인지와 하이퍼차지가 0이다. η 입자에 나타나는 각 쿼크는 반쿼크를 동반하므로 모든 주요 양자수는 0이고, 입자 전체는 "맛깔이 없다".

가장 가벼운 세 개의 쿼크에 대한 기본 SU(3) 대칭 쿼크 이론은 강력을 고려하여 η₁ 및 η₈ 입자를 예측한다. 실제 쿼크 구성은 이 공식들의 선형 조합으로 나타낼 수 있다.

4. η′ 중간자

η′ 중간자(eta prime^영어)는 에타와 달리 향미 SU(3) 싱글렛이다. 위에서 설명한 것처럼 에타 중간자(eta^영어)와 동일한 쿼크의 다른 중첩이며, 더 높은 질량, 다른 붕괴 상태, 더 짧은 수명을 갖는다.

근본적으로, 이는 3개의 가장 가벼운 쿼크 사이의 근사 SU(3) 향미 대칭의 직접 합 분해, $\backslash mathbb\{3\}\; \backslash times\; \backslash bar\{\backslash mathbb\{3\}\}\; =\; \backslash mathbb\{1\}\; +\; \backslash mathbb\{8\}$으로부터 발생하며, 여기서 1은 s 경입자 혼합이 eta prime^영어을 생성하기 전의 η₁에 해당한다.