중간자

3. 종류

중간자는 쿼크와 반쿼크의 스핀과 각운동량에 따라 여러 종류로 나뉜다.

유카와 히데키가 이론적으로 예측한 중간자는 포함된 쿼크의 질량에 따라 다음과 같이 분류된다.^[2]

• 업과 다운 쿼크: 파이온
• 스트레인지 쿼크 이하: 케이온
• 참 쿼크 이하: D 중간자
• 보텀 쿼크 이하: B 중간자
• 톱 쿼크 이하: T 중간자
• 한 쿼크와 그 반쿼크: 에타 중간자, J/ψ 중간자, 웁실론 중간자

P-패리티는 공간 반전에 대한 대칭성을 나타낸다. 중간자의 경우 궤도 각운동량과 관련된 패리티는 P = (-1)^L+1이다. 따라서 궤도 각운동량이 없는(L=0) 모든 중간자는 홀수 패리티(P=-1)를 갖는다.

C-패리티는 중성 중간자에 대해서만 정의되며, 파동 함수가 쿼크와 반쿼크 교환 하에서 동일하게 유지되는지 여부를 나타낸다.

G-패리티는 C-패리티를 일반화한 것으로, 쿼크 구성에 관계없이 중간자와 반중간자를 교환한 후 파동 함수를 비교한다.

중간자는 아이소스핀(I), 총 각운동량(J), P, G-패리티(G) 또는 C-패리티(C)(해당하는 경우) 및 쿼크 (q) 내용에 따라 분류된다.^[20] 메손은 스핀 배열에 따라 다음과 같은 유형으로 분류된다.^[21]

3. 1. 쿼크 구성에 따른 분류

• 업과 다운 쿼크: 파이온
• 스트레인지 쿼크 이하: 케이온
• 참 쿼크 이하: D 중간자
• 보텀 쿼크 이하: B 중간자
• 톱 쿼크 이하: T 중간자
• 한 쿼크와 그 반쿼크: 에타 중간자, J/ψ 중간자, 웁실론 중간자

3. 2. 스핀과 각운동량에 따른 분류

P-패리티는 공간 반전에 대한 대칭성을 나타낸다. 중간자의 경우 궤도 각운동량과 관련된 패리티는 P = (-1)^L+1이다.^[10][52] 따라서 궤도 각운동량이 없는(L=0) 모든 중간자는 홀수 패리티(P=-1)를 갖는다.

C-패리티는 중성 중간자에 대해서만 정의되며, 파동 함수가 쿼크와 반쿼크 교환 하에서 동일하게 유지되는지 여부를 나타낸다.^[11]

G-패리티는 C-패리티를 일반화한 것으로, 쿼크 구성에 관계없이 중간자와 반중간자를 교환한 후 파동 함수를 비교한다.^[15]

중간자는 아이소스핀(I), 총 각운동량(J), P, G-패리티(G) 또는 C-패리티(C)(해당하는 경우) 및 쿼크 (q) 내용에 따라 분류된다.^[20] 메손은 스핀 배열에 따라 다음과 같은 유형으로 분류된다.

4. 성질

중간자는 색전하를 가진 쿼크와 반색전하를 가진 반쿼크로 구성된 입자이며, 바리온수가 0이다. 안정된 것은 없으며, 가장 수명이 긴 것도 나노초 단위로 약한 상호작용에 의해 붕괴한다. 가장 가벼운 중간자(파이 중간자)는 약 140MeV(약 2.5x10^-28 kg, 전자의 약 270배)의 질량을 가지고 있다.

가장 질량이 작은 메손은 유사 스칼라 입자(스핀 0)이다. 여기서 쿼크와 반쿼크는 반대 방향의 스핀을 갖는다. 벡터 입자(스핀 1) 메손의 경우 쿼크와 반쿼크는 같은 방향의 스핀을 갖는다.

중간자의 질량 대부분은 구성하는 쿼크의 질량이 아닌, 그 결합 에너지로부터 발생한다. 중간자는 안정적이지 않다(양자와 같은 긴 수명을 갖지 않는다).

4. 1. 아이소스핀 (Isospin)

4. 2. 겔만-니시지마 공식

4. 3. 맛깔 양자수 (Flavour Quantum Numbers)

5. 엑조틱 중간자

입자물리학에서 강입자(쿼크로 구성됨)이면서 색 중성이며 바리온수가 0인 입자에 대한 실험적 증거가 있는데, 이는 일반적인 정의에 따르면 중간자이다. 그러나 이 입자들은 다른 모든 기존 중간자와 같이 단일 쿼크/반쿼크 쌍으로 구성되지 않는다. 이러한 입자들을 엑조틱 중간자라고 부른다.

두 개 이상의 독립적인 실험을 통해 실험적으로 존재가 확인된 엑조틱 중간자 공명은 최소 5개 이상이다. 이 중 통계적으로 가장 유의미한 것은 2007년 벨 실험에서 발견되어 2014년 LHCb에 의해 확인된 Z(4430)이다. 이는 두 개의 쿼크와 두 개의 반쿼크로 구성된 입자인 테트라쿼크의 후보이다.^[22]

2003년11월 14일, 고에너지 가속기 연구 기구의 가속기 "KEKB"에서 쿼크 4개로 만들어진 새로운 중간자 "X(3872)"가 발견되었다. 이 입자는 그 질량 등으로 보아 $\backslash mathrm\{D\}$중간자 $\backslash mathrm\{D^0\}$와 $\backslash mathrm\{\backslash bar\{D^0\}\}$의 조합으로 이루어진 것으로 여겨진다. 그러나 이것은 쿼크 2개와 반쿼크 2개로 이루어진 하나의 하드론이 아니라, 두 개의 메손으로 이루어진 분자 상태로 생각된다. 같은 연구소는 2007년11월 9일에도 쿼크 4개로 만들어진 새로운 중간자 "Z(4430)"을 발견했다고 발표했다.

6. 중간자 목록

기호반입자
기호쿼크
조성정지 질량 (MeV/c²)I^GJ^PCSCB'평균 수명 (s)일반적인 붕괴
(붕괴의 >5%)파이온^[23]1⁻0⁻000파이온^[24]$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{u\backslash bar\{u\}\; -\; d\backslash bar\{d\}\}\{\backslash sqrt\{2\}\}\}\backslash ,$1⁻0⁻⁺000에타 중간자^[25]$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\; -\; 2s\backslash bar\{s\}\}\{\backslash sqrt\{6\}\}\}\backslash ,$0⁺0⁻⁺000또는

에타 프라임 중간자^[26](958)$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\; +\; s\backslash bar\{s\}\}\{\backslash sqrt\{3\}\}\}\backslash ,$0⁺0⁻⁺000

참 에타 중간자^[27](1S)0⁺0⁻⁺000[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/m026.pdf 붕괴 모드 참조]바닥 에타 중간자^[28](1S)0⁺0⁻⁺000알 수 없음[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/m171.pdf 붕괴 모드 참조]K 중간자^[29]0⁻100
K 중간자^[30]0⁻100K-단^[31]$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{d\backslash bar\{s\}\; +\; s\backslash bar\{d\}\}\{\backslash sqrt\{2\}\}\}\backslash ,$0⁻(*)00
K-장^[32]$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{d\backslash bar\{s\}\; -\; s\backslash bar\{d\}\}\{\backslash sqrt\{2\}\}\}\backslash ,$0⁻(*)00


D 중간자^[33]0⁻0+10[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s031.pdf 붕괴 모드 참조]D 중간자^[34]0⁻0+10[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s032.pdf 붕괴 모드 참조]기묘 D 중간자^[35]00⁻+1+10[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s034.pdf 붕괴 모드 참조]B 중간자^[36]0⁻00+1[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s041.pdf 붕괴 모드 참조]B 중간자^[37]0⁻00+1[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s042.pdf 붕괴 모드 참조]기묘 B 중간자^[38]00⁻−10+1[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s086.pdf 붕괴 모드 참조]참 B 중간자^[39]00⁻0+1+1[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s091.pdf 붕괴 모드 참조]전하를 띤 로 메손^[40](770)(770)1⁺1⁻000중성 로 메손^[40](770)$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{u\backslash bar\{u\}-d\backslash bar\{d\}\}\{\backslash sqrt\; 2\}\}$1⁺1⁻⁻000오메가 중간자^[41](782)$\backslash mathrm\{\backslash tfrac\{u\backslash bar\{u\}\; +\; d\backslash bar\{d\}\}\{\backslash sqrt\{2\}\}\}$0⁻1⁻⁻000
파이 메손^[42](1020)0⁻1⁻⁻000

제이프사이 중간자^[43]0⁻1⁻⁻000[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/m070.pdf (1S) 붕괴 모드 참조]웁실론 중간자^[44](1S)0⁻1⁻⁻000[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/m049.pdf (1S) 붕괴 모드 참조]K 중간자^[45]1⁻100[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/m018.pdf (892) 붕괴 모드 참조]K 중간자^[45]1⁻100[http://pdg.lbl.gov/2008/listings/m018.pdf (892) 붕괴 모드 참조]D 중간자^[46](2010)(2010)1⁻0+10
D 중간자^[47](2007)(2007)1⁻0+10
스트레인지 D 메손^[48]01⁻+1+10
B 중간자^[49]1⁻00+1UnknownB 중간자^[49]1⁻00+1Unknown스트레인지 B 메손^[50]01⁻−10+1Unknown맵시 B 메손^†Unknown01⁻0+1+1UnknownUnknown