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에타 중간자

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목차

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.[17] 에타 중간자는 1961년에 미국 로런스 버클리 국립연구소의 베바트론에서 파이온과 핵자를 충돌시키면서 발견되었고,[18] 에타 프라임 중간자는 1964년에 미국의 로런스 버클리 국립연구소[19]와 브룩헤이븐 연구소[20]에서 동시에 발견되었다. 맵시 에타는 1980년에 두 공동연구에서 독립적으로 발견되었다.[21][22]

2. 1. 에타 중간자(η) 발견

사카타 쇼이치가 1956년에 에타 중간자와 에타 프라임 중간자를 \(\pi^{0}{}'{}\)와 \(\pi^{0}{}'\)라는 이름으로 예측하였다.[17] 1961년 미국 로런스 버클리 국립연구소의 베바트론에서 파이온과 핵자를 충돌시키는 실험을 통해 아이후드 페브스너 등이 에타 중간자를 발견했다.[18] 이는 팔정도의 제안이 대칭성에 근거한 새로운 입자들의 예측과 발견으로 이어지던 시점이었다.[4] 에타 프라임 중간자는 1964년에 미국의 로런스 버클리 국립연구소[19]와 브룩헤이븐 연구소[20]에서 동시에 발견되었다. 맵시 에타는 1980년에 두 공동연구 (Partridge et al.[21]과 Himel et al.[22])에서 독립적으로 발견하였다.

2. 2. 에타 프라임 중간자(η') 발견

사카타 쇼이치는 1956년에 에타 중간자와 에타 프라임 중간자를 \pi^{0}{}'{}'와 \pi^{0}{}'라는 이름으로 예측하였다.[17] 1964년에는 미국 로런스 버클리 국립연구소[19]와 브룩헤이븐 연구소[20]에서 에타 프라임 중간자를 동시에 발견하였다.

2. 3. 맵시 에타(ηc) 발견

에타 중간자와 에타 프라임 중간자는 1956년에 사카타 쇼이치가 \pi^{0}{}'{}'와 \pi^{0}{}'라는 이름으로 예측하였다.[17] 맵시 에타는 1980년에 두 공동연구(Partridge et al.[21]과 Himel et al.[22])에서 독립적으로 발견하였다.

3. 특성

에타 중간자(η)와 에타 프라임 중간자(η′)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '''에타-에타 프라임 문제'''라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.[4]

3. 1. 에타-에타 프라임 문제

에타 중간자와 에타 프라임 중간자의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측 (0) 보다 크다. 이를 '''에타-에타 프라임 문제'''라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.[4]

에타 중간자와 에타 프라임 중간자의 질량 차이는 쿼크 모형으로는 자연스럽게 설명하기 어렵다. 이 "에타-에타 프라임 수수께끼"는 't Hooft 인스턴톤 메커니즘[6]에 의해 해결될 수 있으며,[9][10][11] 이는 구현으로 '''Witten–Veneziano 메커니즘'''이라고도 알려져 있다.[7][8] 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 문제'''라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.[4]

와 의 질량 차이는 쿼크 모형으로는 자연스럽게 설명하기 어렵다. 이 "에타-에타 프라임 수수께끼영어"는 't Hooft 인스턴톤 메커니즘[6]에 의해 해결될 수 있으며,[9][10][11] 이는 구현으로 '''Witten–Veneziano 메커니즘'''이라고도 알려져 있다.[7][8] 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(η영어)와 에타 프라임 중간자(η′영어)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '''에타-에타 프라임 문제'''라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.[5][3]

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

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

3. 3. 1. SU(3) 대칭 쿼크 모형

에타 중간자(\eta)와 에타 프라임 중간자(\eta')의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '에타-에타 프라임 문제'라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.[5][3]

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

: \mathrm{\eta}_1 = \frac{1}{\sqrt 3} \left( \mathrm{ u\bar{u} + d\bar{d} + s\bar{s} } \right) ~,

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

여기서 아래첨자 \eta_1은 (완전히 반대칭인) 싱글렛, \eta_8은 옥텟의 일부임을 나타낸다. 그러나 쿼크의 맛을 바꾸는 전약력은 고유 상태의 작지만 상당한 양의 "혼합"을 일으킨다. 실제 쿼크 구성은 다음 공식의 선형 조합이다.

:\left(\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) ~.



\eta는 실제로 관찰되고 \eta_8에 가까운 실제 입자를, \eta'는 \eta_1에 가까운 관찰된 입자를 나타낸다.[3]

\eta와 \eta' 입자는 중성 파이온(\pi^0)와 밀접하게 관련되어 있다.

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

\pi^0, \eta_1, \eta_8는 위 쿼크(u)반쿼크(\bar{u}), 아래 쿼크(d)아래 반쿼크(\bar{d}), 기묘 쿼크(s)기묘 반쿼크(\bar{s})의 세 가지 상호 직교 선형 조합이다. 이들은 모든 주요 양자수가 0인 가상 스칼라 메존 논넷의 중심에 있다.[5][3]

3. 3. 2. 쿼크 혼합

에타 중간자(\eta)와 에타 프라임 중간자(\eta')의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '에타-에타 프라임 문제'라고 한다. 이 현상은 순간자로 설명할 수 있다.[5][3]

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

: \mathrm{\eta}_1 = \frac{1}{\sqrt 3} \left( \mathrm{ u\bar{u} + d\bar{d} + s\bar{s} } \right) ~,

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

여기서 아래첨자 \eta_1은 싱글렛, \eta_8은 옥텟의 일부임을 나타낸다. 그러나 전약력은 고유 상태의 작은 양이지만 상당한 양의 "혼합"(혼합 각도 \theta_P = -11.5^\circ)을 일으켜 실제 쿼크 구성은 이 공식들의 선형 조합이 된다.

:\left(\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 \eta(\eta_8에 가까움)와 \eta'(\eta_1에 가까움)이다.[3]

\eta와 \eta' 입자는 중성 파이온(\pi^0)과 밀접하게 관련되어 있다.

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

\pi^0, \eta_1, \eta_8는 위 쿼크와 위 반쿼크, 아래 쿼크와 아래 반쿼크, 기묘 쿼크와 기묘 반쿼크의 세 가지 상호 직교 선형 조합이며, 가상 스칼라 메존 논넷의 중심에 있다.[5][3]

3. 3. 3. 파이온과의 관계

에타 중간자(η)와 에타 프라임 중간자(η′)의 질량 차이는 쿼크 모형의 예측보다 큰데, 이를 '''에타-에타 프라임 문제'''라고 부르며, 순간자로 설명할 수 있다.[5][3]

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.[5][3]

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".[5][3]

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 prime영어)는 에타와 달리 향미 SU(3) 싱글렛이다. 위에서 설명한 것처럼 에타 중간자(eta영어)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, \mathbb{3} \times \bar{\mathbb{3}} = \mathbb{1} + \mathbb{8}으로부터 발생하며, 여기서 '''1'''은 s 경입자 혼합이 eta prime영어을 생성하기 전의 η1에 해당한다.

참조

[1] 논문 Quark Model Review http://pdg.lbl.gov/2[...]
[2] 논문 Light Unflavored Mesons http://pdg.lbl.gov/2[...]
[3] 서적 Groups, Representations and Physics https://archive.org/[...] IOP Publishing
[4] 논문 What is interesting in eta and eta prime Meson Decays?
[5] 문서 Wikipedia meson article
[6] 논문 Symmetry Breaking through Bell-Jackiw Anomalies
[7] 논문 Current algebra theorems for the U(1) "Goldstone boson"
[8] 논문 U(1) without instantons https://cds.cern.ch/[...]
[9] 논문 Topological Susceptibility in SU(3) Gauge Theory
[10] 논문 Universality of the topological susceptibility in the SU(3) gauge theory
[11] 간행물 Testing the Witten–Veneziano mechanism with the Yang–Mills gradient flow on the lattice
[12] 논문 The U(1) problem
[13] 논문 Current Algebra Theorems for the U(1) Goldstone Boson
[14] 논문 U(1) Without Instantons
[15] 논문 Can Confinement Ensure Natural CP Invariance of Strong Interactions?
[16] 논문 QCD vacuum and axions: What's happening?
[17] 논문 On a Composite Model for the New Particles
[18] 논문 Evidence for a Three-Pion Resonance Near 550 MeV
[19] 논문 Existence of a New Meson of Mass 960 MeV
[20] 논문 Observation of a Nonstrange Meson of Mass 959 MeV
[21] 논문 Observation of an ηc Candidate State with Mass 2978 ± 9 MeV
[22] 논문 Observation of the ηc(2980) Produced in the Radiative Decay of the ψ′(3684)


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