케이 중간자

1. 개요

케이 중간자는 아이소스핀 이중항을 형성하는 네 종류의 중간자이다. 스트레인지니스가 +1인 K⁺와 K⁰, 그리고 이들의 반입자인 K^-와 $\backslash overline\{K^0\}$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.

2. 기본 성질

케이 중간자는 쿼크 모델에 따라 네 가지 종류로 구분된다. K⁺와 K^-는 서로 입자-반입자 관계이며, K⁰와 $\backslash overline\{K^0\}$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.
* $\backslash overline\{K^0\}$: 스트레인지 쿼크와 반다운 쿼크로 구성되어 있으며, K⁰와 질량이 같다.

중성 케이온(K⁰, $\backslash overline\{K^0\}$)은 K_S와 K_L의 두 가지 형태로 존재한다.

* 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.

2.1. 쿼크 모델

쿼크 모델에서 케이온은 아이소스핀 이중항을 형성한다. 즉, SU(2)의 기본 표현인 2에 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

* $\backslash overline\{K^0\}$: 스트레인지 쿼크와 반다운 쿼크

K⁺와 K^-는 서로 입자-반입자 관계이며, K⁰와 $\backslash overline\{K^0\}$도 마찬가지이다.

2.2. 붕괴 모드

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K⁺의 주요 붕괴 모드는 다음과 같다.

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

3. 역사

1944년, 루이 르프랭스랭게는 양전하를 띤 무거운 입자의 존재에 대한 증거를 발견했다. 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.

1949년, 로즈마리 파울러는 세 개의 파이온으로 붕괴하는, V 입자와 매우 비슷한 질량을 가진 입자를 발견하였다. 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.

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. 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.

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. 재생성은 로렌스 버클리 국립 연구소에서 오레스테 피치오니와 그의 동료들에 의해 관찰되었다. 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. 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 + εK₁
그리고 에 대해서도 마찬가지이다. 따라서 가끔 은 CP = +1인 K₁로 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.