입실론 중간자
1. 개요
입실론 중간자는 바닥 쿼크와 반쿼크가 결합된 중입자로, 1977년 페르미 국립 가속기 연구소에서 처음 발견되었다. 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데는 CP 위반 현상을 설명하기 위해 3세대 쿼크의 존재를 예측했으며, 입실론 중간자의 발견은 이 예측을 뒷받침하는 증거가 되었다. 입실론 중간자는 Υ(1S), Υ(2S), Υ(3S), Υ(4S), Υ(5S), Υ(6S) 등 다양한 형태로 존재하며, 각기 다른 질량과 붕괴 모드를 갖는다. 이들은 전자-양전자 충돌 실험을 통해 생성되며, B 중간자 연구에 중요한 역할을 한다.
-
오늄 -
포지트로늄
포지트로늄은 전자와 양전자가 결합된 가벼운 원자로, 스핀 방향에 따라 파라포지트로늄과 오르토포지트로늄으로 나뉘며 양자전기역학 연구에 중요한 역할을 하지만 자연적으로는 발생하지 않는다. -
오늄 -
제이/프시 중간자
제이/프시 중간자는 1974년 발견된 맵시 쿼크와 반 맵시 쿼크로 구성된 중성 입자이며, 맵시 쿼크의 존재를 증명하는 중요한 사건으로 기본 입자 물리학 발전에 기여했다. -
중간자 -
벡터 보손
벡터 보손은 양자장론에서 스핀이 정수인 입자를 지칭하며, 질량을 가진 경우 세 가지 스핀 고유값을 갖고, W 보손과 Z 보손은 힉스 메커니즘으로 질량을 얻어 힉스 입자 생성에 중요한 역할을 한다. -
중간자 -
테트라쿼크
테트라쿼크는 네 개의 쿼크로 이루어진 이국적인 입자로, 21세기에 다양한 후보들이 발견되었으며, 특히 X(3872)는 최초의 후보 중 하나로, 이후 추가적인 발견으로 쿼크 상호작용에 대한 이론적 연구를 촉진하고 있다. -
스핀이 1인 아원자 입자 -
광자
광자는 전자기파의 기본 입자이자 빛의 입자적 성질을 나타내는 양자이며, 전하를 띠지 않고 에너지와 운동량을 가지며 다양한 기술 분야에 응용된다. -
스핀이 1인 아원자 입자 -
글루온
글루온은 쿼크 사이의 색력을 전달하는 기본 입자로, 색전하를 지닌 벡터 보손이며, 양자색역학에 따라 8가지 종류가 존재하고, 쿼크와 상호작용하여 하드론을 형성하지만 색 가둠 현상으로 인해 자유롭게 관측되지는 않는다.
2. 역사
1973년 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데가 CP 위반을 설명하기 위해 3세대 쿼크의 존재를 예측했다. 1977년 리언 레더먼이 페르미 국립 가속기 연구소에서 입실론 중간자를 발견하여, 3세대 쿼크의 존재를 증명하였다.
2.1. 고바야시-마스카와 이론
1973년에 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데는 CP 위반을 설명하기 위하여 3세대의 쿼크의 존재와 해당하는 하드론을 예측하였다. 이들은 이 공로로 2008년 노벨 물리학상을 수상하였다.
3. 상세
입실론 중간자는 여러 가지 종류가 있으며, 각각 다른 질량과 붕괴 모드를 가진다.
* Υ(1S): 1977년 페르미 국립 가속기 연구소에서 레온 레더먼이 이끄는 팀이 처음 발견했다. 질량은 9460.30±0.26MeV이며, 수명은 약 10-20초이다.
* Υ(2S): 질량은 10.02326±0.00031 GeV이다.
* Υ(3S): 질량은 10.3552±0.0005 GeV이다.
* Υ(4S): 거의 전부(96% 이상)가 B 중간자 쌍으로 붕괴하며, 하전 B 중간자 쌍과 중성 B 중간자 쌍의 비율은 거의 같다. B 팩토리에서 이 Υ(4S)를 생성하며, 입자 물리학 실험에서 매우 중요한 입자이다.
* Υ(10860) [Υ(5S)]: 질량은 10.865GeV이다.
* Υ(11020) [Υ(6S)]: 질량은 11.019±0.008 GeV이다.
3.1. Υ(1S)
1977년 페르미 국립 가속기 연구소에서 레온 레더먼이 이끄는 팀이 처음 발견한 입실론 중간자로, 이는 바닥 쿼크의 발견이기도 하다.
질량은 9460.30±0.26MeV이다.
수명은 약 10-20초이며, 전자(e), 뮤온(μ), 타우 입자(τ)의 3종류의 렙톤 쌍으로 각각 2.5% 붕괴하는 등, 붕괴 모드는 매우 많다.
3.2. Υ(2S)
Υ(2S)의 질량은 10.02326±0.00031 GeV이다.
이 입자는 붕괴 모드가 매우 다양하다. Υ(1S)와 전하를 띤 π 중간자 쌍으로 약 20%, Υ(1S)와 중성 파이 중간자 쌍으로 약 10% 붕괴하며, 렙톤(e, μ, τ) 쌍으로는 각각 2% 정도 붕괴한다.
B 팩토리 중 하나인 SLAC의 PEP-II 가속기는 가동 중단을 2개월 연장하여, 2008년 2월부터 Υ(2S)와 Υ(3S)를 생성하는 실험을 실시했다. 그 데이터는 현재도 해석이 진행되고 있으며, 같은 해 가을에 보토모늄의 바닥 상태, 즉 Υ(1S)에 해당하는 스핀 0의 상태를 발견했다고 발표했다. 이에 따르면 바닥 상태의 Υ(1S)와의 질량 차이는 71.4+2.3−3.1±2.7MeV이다.
3.3. Υ(3S)
Υ(3S)의 질량은 10.3552±0.0005 GeV이다.
이것은 붕괴 모드가 매우 다양하다. Υ(2S)+X (π 중간자 쌍 등)로 약 10%, Υ(1S)+X (π 중간자 쌍 등)로 약 7% 붕괴하며, μ, τ) 렙톤 쌍으로도 각각 2% 정도 붕괴하지만, 전자 쌍으로 붕괴하는 경우는 극히 드물다.
3.4. Υ(4S)
거의 전부(96% 이상)가 B 중간자 쌍으로 붕괴한다. 하전 B 중간자 쌍과 중성 B 중간자 쌍의 비율은 거의 같다.
이 때문에 B 팩토리에서는 이 Υ(4S)를 생성하며, 입자 물리학 실험에서 매우 중요한 입자이다.
3.5. Υ(10860) [Υ(5S)]
질량은 10.865GeV이다.
주요 붕괴 모드는 B 중간자 쌍, 또는 그것과 1~2개의 π 중간자 (총 60% 정도), charm B 중간자 쌍 (20% 정도)이다.
3.6. Υ(11020) [Υ(6S)]
질량은 11.019±0.008 GeV이다.
붕괴에 대해서는 극히 소량의 비율로 전자쌍으로의 붕괴가 관측되고 있는 것 외에는, 현 시점에서는 미상이다.