파이 중간자

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

파이 중간자는 강한 핵력을 매개하는 중간자이며, 1935년 유카와 히데키가 이론적으로 예측했다. 1947년 최초의 파이온이 발견되었으며, 전하를 띤 파이온(π⁺, π⁻)은 약 139 MeV/c²의 질량을 가지고, 중성 파이온(π⁰)은 약 135 MeV/c²의 질량을 갖는다. 파이온은 쿼크와 렙톤의 붕괴를 통해 생성되며, 의료 방사선 치료에 응용될 가능성이 연구되고 있다.

2. 역사

유카와 히데키는 1935년 강한 핵력을 매개하는 입자로 중간자가 존재할 것이라고 이론적으로 예측했다. 유카와는 핵력의 범위를 바탕으로 중간자의 질량을 예측했고, 초기에 뮤온이 중간자로 오인되기도 했지만, 실험을 통해 뮤온은 강한 핵 상호작용에 관여하지 않는다는 사실이 밝혀졌다.

핵력(또는 잔류 강한 핵력) 상호작용 애니메이션. 작은 색상의 이중 디스크는 글루온이다.

개별 쿼크 구성요소가 표시되어 ''기본'' 강력한 상호작용이 핵력을 어떻게 발생시키는지 설명하는 페르미 다이어그램. 직선은 쿼크이고, 다색 루프는 글루온이다.

1947년, 세실 파월을 중심으로 하는 연구팀이 최초로 진정한 중간자인 대전된 파이온을 발견했다. 당시 높은 에너지의 입자를 얻는 것은 쉽지 않았기에, 높은 고도의 산에 사진 유제를 설치하여 우주선을 이용하는 실험 방식을 채택했다. 이후 캘리포니아 대학교 버클리에서는 사이클로트론을 사용하여 인공적으로 파이온을 만들어 내는데 성공했다. 중성 파이온의 경우, 전하를 띠지 않아 발견이 더 어려웠지만, 붕괴 생성물을 관찰함으로써 1950년에 그 존재가 확인되었다.

이러한 일련의 발견들은 입자물리학의 발전에 크게 기여했으며, 유카와 히데키와 세실 파월은 그 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 수상하게 되었다.

2. 1. 유카와 히데키의 예측

유카와 히데키는 1935년에 강한 핵력을 매개하는 입자로 중간자의 존재를 이론적으로 예측했다.^[7] 유카와는 핵력의 범위(원자핵의 반경)를 바탕으로 중간자의 질량이 약 100MeV/c2일 것이라고 추정했다.^[3] 1936년에 발견된 뮤온은 질량이 106MeV/c2로 측정되어 중간자로 여겨졌으나, 이후 실험을 통해 강한 상호작용에 참여하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 현대 물리학에서 뮤온은 중간자가 아닌 렙톤으로 분류된다.

2. 2. 파이온의 발견

1947년, 영국의 브리스톨 대학교 연구진(세실 파월, 세사레 라테스, 주세페 오키알리니)은 우주선(宇宙線, cosmic ray)을 이용하여 최초의 진정한 중간자인 대전된 파이온(π⁺, π⁻)을 발견했다.^[3] 당시에는 입자 가속기가 개발되기 전이었으므로, 높은 에너지의 입자를 얻기 위해 사진 유제를 피레네산맥의 피크 뒤 미디 드 비고르, 안데스산맥의 차칼타야 등 고지대에 장기간 노출시키는 방법을 사용했다.^[3]

현상 후, 사진 판은 약 12명의 여성 팀에 의해 현미경으로 검사되었다.^[4] 마리에타 쿠르츠는 파이온이 뮤온으로 붕괴되는 특징적인 "이중 중간자" 궤적을 처음으로 감지했지만, 사진 유제의 가장자리에 너무 가까워서 불완전한 것으로 간주되었다. 며칠 후, 아이린 로버츠는 발견 논문에 나타난 파이온 붕괴로 남겨진 궤적을 관찰했다.

1948년에는 캘리포니아 대학교 버클리에서 사이클로트론을 이용하여 탄소 원자에 알파 입자를 충돌시켜 인공적으로 파이온을 생성하는 데 성공했다.^[5]

중성 파이온(π⁰)은 전하를 띠지 않아 발견이 어려웠으나, 1950년에 붕괴 과정에서 생성되는 두 개의 광자를 관측함으로써 그 존재가 확인되었다.^[6]

2. 3. 노벨상 수상

1949년 유카와 히데키는 중간자 이론 예측의 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.^[7] 1950년 세실 파월은 사진 유제를 이용한 입자 검출 기술 개발의 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.^[3]

3. 기본 성질

파이온은 스핀이 0이고, 1세대 쿼크(위 쿼크, 아래 쿼크)와 그 반쿼크로 구성된 중간자이다. 파이온은 아이소스핀 삼중항 상태를 이루며, π⁺, π⁻, π⁰ 세 가지 종류가 존재한다.

1935년 유카와 히데키는 중간자가 강한 핵력의 매개 입자일 것이라고 예측했다. 유카와는 강한 핵력의 범위로부터 약 100 MeV/c²의 질량을 가진 입자가 존재할 것이라고 추론했다. 1936년에 발견된 뮤온은 질량이 106 MeV/c²이었기 때문에 이 입자로 여겨졌으나, 이후 실험을 통해 뮤온이 강한 핵 상호작용에 참여하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 현대 물리학에서 뮤온은 렙톤으로 분류된다. 유카와가 예측했던 중간자는 1947년(π⁺, π⁻)과 1950년(π⁰)에 발견된 파이온이다.

파이온은 핵자 사이의 잔류 강력 상호작용을 매개하는 입자 중 하나이며, 이 상호작용은 인력이다. 비상대론적 형태에서 이 상호작용은 유카와 퍼텐셜이라고 불린다. 스핀이 없는 파이온의 운동학은 클라인-고든 방정식으로 설명된다. 양자장론에서 파이온-핵자 상호작용을 설명하는 유효장론 라그랑지안은 유카와 상호작용이라고 불린다.

, π⁻, π⁰의 질량이 거의 동일한 것은 SU(2) 향미 대칭 또는 아이소토피 대칭이 작용하기 때문이다. 세 개의 파이온은 SU(2)의 삼중항 표현 또는 수반 표현 '''3'''에 속한다. 위 쿼크와 아래 쿼크는 SU(2)의 기본 표현 '''2'''에 따라 변환되는 반면, 반쿼크는 켤레 표현 '''2*'''에 따라 변환된다.

스트레인지 쿼크가 추가되면 파이온은 SU(3) 향미 대칭에 참여하며, SU(3)의 수반 표현 '''8'''에 속한다. 이 팔중항의 다른 구성원은 네 개의 카오온과 에타 중간자이다.

파이온은 패리티 변환에서 유사 스칼라이다. 따라서 파이온 전류는 축 벡터 전류에 결합되어 키랄 이상에 참여한다.

3. 1. 쿼크 구성

쿼크 모형에서 위 쿼크와 아래 반쿼크는 π⁺를 구성하고, 아래 쿼크와 위 반쿼크는 π⁻를 구성하며, 이 둘은 서로 반입자 관계이다. π⁰는 위 쿼크와 위 반쿼크, 아래 쿼크와 아래 반쿼크의 조합으로, 양자적 중첩상태에서만 존재하는데, 이 중 가장 낮은 에너지 상태가 π⁰이며, 자기 자신이 반입자이다.^[14]

파이온의 쿼크 구성
입자	기호	반입자	쿼크 조성
파이온^[1]	π⁺	π⁻
파이온^[1]	π⁰	자체	$\tfrac{\mathrm{u\bar{u}} - \mathrm{d\bar{d}}}{\sqrt 2}$

^[a] 쿼크 질량이 0이 아니기 때문에 구성이 정확하지 않다.^[15]

3. 2. 질량 및 수명

π^± 중간자는 139.6MeV/c2의 질량을 가지며 평균 수명을 갖는다. 이것은 약한 상호작용에 의해 일어난다. 주요 붕괴 형태(99.9877%)는 뮤온과 중성미자로 붕괴되는 것이다.^[16]

:

\pi^+ \longrightarrow \mu^+ +\nu_{\mu}

:

\pi^- \longrightarrow \mu^- +\bar{\nu}_{\mu}

두 번째 붕괴 형태(0.0123%)는 전자와 대응되는 중성미자로 분열되는 것이다(CERN에서 1958년에 발견).^[16]

:

\pi^+ \longrightarrow e^+ +\nu_{e}

:

\pi^- \longrightarrow e^- +\bar{\nu}_{e}

π⁰ 중간자는 조금 더 가벼운 의 질량을 가지며 평균수명을 갖는다. 이것은 주로 전자기력에 의해 일어난다. 주요 붕괴 형태(98.8%)는 광자 두 개로 붕괴되는 것이다.^[16]

:π⁰ → 2γ

두 번째 붕괴 형태(1.2%)는 소위 달리츠 붕괴로써 광자 한 개와 전자-양전자 쌍으로 붕괴된다.^[16]

:π⁰ → γ + e⁻ + e⁺

파이온의 질량 및 수명^[16]
입자 이름	입자 기호	반입자 기호	정지 질량 (MeV/c²)	평균 수명 (s)	주요 붕괴
파이온	π⁺	π^-	139.570 18(35)		$\mu^+ + \nu_{\mu}$
파이온	π⁰	π⁰(자신)	134.976 6 ± 0.000 6		γ + γ

4. 붕괴

파이 중간자(π)는 붕괴 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 전하를 띠는 대전된 파이온(π⁺, π^-)과 전하를 띠지 않는 중성 파이온(π⁰)이 있으며, 각각 다른 붕괴 형태를 보인다. 대전된 파이온은 주로 약한 상호작용에 의해 붕괴하고, 중성 파이온은 주로 전자기력에 의해 붕괴한다.

파이온이 붕괴되는 정도에 대한 비율은 손지기 섭동 이론과 같은 입자물리학의 여러 하위 분야에 큰 영향을 미친다. 이 비율은 파이온 붕괴 상수(''f''_π)로 나타내어지는데, 대략 90 MeV 정도의 값을 가진다.

파이온의 붕괴
입자 이름	입자 기호	반입자 기호	쿼크 구성^[16]	정지 질량 (MeV/c²)	I^G	J^PC	S	C	B'	주요 붕괴
파이온^[16]	π⁺	π^-	$\mathrm{u}\bar{\mathrm{d}}$	139.570 18(35)	1⁻	0⁻	0	0	0	$\mu^+ + \nu_{\mu}$
파이온^[16]	π⁰	π⁰(자신)	$\tfrac{\mathrm{u\bar{u}} - \mathrm{d\bar{d}}}{\sqrt 2}$ ^[17]	134.976 6 ± 0.000 6	1⁻	0⁻⁺	0	0	0	γ + γ

4. 1. 대전된 파이온 (π⁺, π⁻)의 붕괴

대전된 파이온(π^±)은 139.6MeV/c²의 질량과 2.6×10⁻⁸s의 평균 수명을 가지며, 약한 상호작용에 의해 붕괴한다.^[16]

주요 붕괴 형태(99.9877%)는 뮤온과 뮤온 중성미자로 붕괴하는 것이다.^[16]

:

\pi^+ \longrightarrow \mu^+ +\nu_{\mu}

:

\pi^- \longrightarrow \mu^- +\bar{\nu}_{\mu}

두 번째 붕괴 형태(0.0123%)는 전자와 전자 중성미자로 붕괴하는 것이다. 이 붕괴는 1958년 CERN에서 발견되었다.^[16]

:

\pi^+ \longrightarrow e^+ +\nu_{e}

:

\pi^- \longrightarrow e^- +\bar{\nu}_{e}

뮤온 붕괴에 대한 전자 붕괴의 억제 비율은 대략 다음과 같다.

:

R_\pi = (m_e/m_\mu)^2 \left(\frac{M_\pi^2-M_e^2}{M_\pi^2-M_\mu^2}\right)^2

이는 '나선도(Helicity) 억제'라고 알려진 스핀 효과 때문이다.

4. 2. 중성 파이온 (π⁰)의 붕괴

중성 파이온(π⁰)은 주로 전자기력에 의해 붕괴하며, 평균 수명은 8.4s이다.^[16]

주요 붕괴 형태(98.8%)는 두 개의 광자로 붕괴하는 것이다.^[16]

:π⁰ → 2γ

두 번째 붕괴 형태(1.2%)는 달리츠 붕괴로, 광자 한 개와 전자-양전자 쌍으로 붕괴한다.^[16]

:π⁰ → γ + e^- + e⁺

5. 이론적 개괄

파이온은 핵자(양성자와 중성자) 사이의 상호작용을 매개하는 입자로 생각할 수 있다. 이 상호작용은 인력으로 핵자들을 서로 끌어당긴다. 비상대론적인 형태에서 이 상호작용은 유카와 퍼텐셜로 기술된다. 스핀이 없는 파이온의 운동학은 클라인-고든 방정식으로 설명된다. 양자장론에서 파이온-핵자 상호작용을 나타내는 유효장론 라그랑지안은 유카와 상호작용이라고 불린다.^[3]

π^±와 π⁰가 거의 같은 질량을 가진다는 것은 SU(2) 맛깔대칭 혹은 아이소스핀이라고 불리는 대칭성이 존재함을 의미한다.^[9] 세 가지 파이온 π^±와 π⁰는 SU(2)의 삼중항 표현 혹은 수반 표현 '''3'''으로 이해된다. 위 쿼크와 아래 쿼크는 SU(2)의 기본 표현 '''2'''에 따라 변환되는 반면, 반쿼크는 켤레 표현 '''2*'''에 따라 변환된다.

기묘 쿼크를 포함하면, 파이온은 SU(3) 맛깔 대칭에 참여하며, SU(3)의 수반 표현 '''8'''에 속한다. 이 팔중항의 다른 구성원은 네 개의 케이온(kaon)과 에타 중간자이다.^[3]

파이온은 홀짝성 변환에서 유사스칼라이다. 따라서 파이온 전류는 축벡터 전류와 결합되어 손지기 변칙(chiral anomaly)에 관여한다.^[3]

5. 1. 유카와 퍼텐셜

파이온은 핵자(양성자와 중성자) 사이의 상호작용을 매개하는 입자로 생각할 수 있다. 비상대론적인 형태에서 이 상호작용은 유카와 퍼텐셜로 기술된다. 스핀이 없는 파이온의 운동학은 클라인-고든 방정식으로 설명된다. 양자장론에서 파이온-핵자 상호작용을 나타내는 유효장론 라그랑지안은 유카와 상호작용이라고 불린다.^[9]

5. 2. 클라인-고든 방정식

스핀이 없는 파이온의 운동학은 클라인-고든 방정식에 의해 설명된다.^[3]

5. 3. 유카와 상호작용

양자장론에서 파이온-핵자 상호작용을 기술하는 유효장론 라그랑지안은 유카와 상호작용이라고 불린다.^[3] 파이온은 한 쌍의 핵자 사이의 상호작용을 매개하는 입자로 생각될 수 있다. 이 상호작용은 인력으로써 핵자들이 서로를 끌어당기는 힘이다. 비상대론적인 형태로 기술할 경우에 이것은 유카와 퍼텐셜이라고 불린다. 스핀이 없는 파이온은 클라인-고든 방정식에 의해 기술되는 동역학을 갖는다.

5. 4. 아이소스핀 대칭

π^±와 π⁰가 거의 같은 질량을 가진다는 것은 SU(2) 맛깔대칭 혹은 아이소스핀이라고 불리는 대칭성이 존재함을 의미한다.^[9]

세 가지 파이온 π^±와 π⁰는 SU(2)의 삼중항 표현 혹은 수반 표현 '''3'''으로 이해된다. 반면, 위 쿼크와 아래 쿼크는 SU(2)의 기본 표현 '''2'''에 따라 변환되는 반면, 반쿼크는 켤레 표현 '''2*'''에 따라 변환된다.

5. 5. SU(3) 맛깔 대칭

기묘 쿼크를 포함하면, 파이온은 SU(3) 맛깔 대칭에 참여하며, SU(3)의 수반 표현 '''8'''에 속한다. 이 팔중항의 다른 구성원은 네 개의 케이온(kaon)과 에타 중간자이다.^[3]

5. 6. 유사스칼라

파이온은 홀짝성 변환에서 유사스칼라이다.^[3] 따라서 파이온 전류는 축벡터 전류와 결합되어 손지기 변칙(chiral anomaly)에 관여한다.

6. 응용

로스앨러모스 국립 연구소의 중간자 물리 시설을 포함한 여러 연구 기관에서 암 치료와 같은 의료 방사선 치료에 파이온을 사용하는 것을 연구했으며, 이 시설은 1974년과 1981년 사이에 뉴멕시코에서 228명의 환자를 치료했다.^[8] 또한 브리티시컬럼비아주 밴쿠버에 있는 TRIUMF 연구소에서도 관련 연구가 진행되었다.

7. 추가 문헌

제럴드 에드워드 브라운, A. D. 잭슨, ''핵자-핵자 상호작용'' (1976), 노스홀랜드 출판, 암스테르담

참조

_[1] 논문 Review of Particle Physics
_[2] 논문 Detection of the characteristic pion-decay signature in supernova remnants
_[3] 논문 Processes Involving Charged Mesons
_[4] 논문 Cesar Lattes, Nuclear Emulsions, and the Discovery of the Pi-meson
_[5] 논문 Charge radius of the pion
_[6] 논문 High energy photons from proton–nucleon collisions https://escholarship[...]
_[7] AV media 'Quantum Field Theory, Anthony Zee Lecture 2 of 4 (lectures given in 2004)' https://www.youtube.[...] aoflex 2013-12-07
_[8] 논문 Long-term results of pion therapy at Los Alamos
_[9] 논문 Behavior of current divergences under SU{{sub|3}}×SU{{sub|3}} https://authors.libr[...]
_[10] 논문 Light-Front Holographic QCD and Emerging Confinement https://arxiv.org/ab[...]
_[11] 논문 Electron Decay of the Pion https://cds.cern.ch/[...]
_[12] 웹사이트 Mesons http://hyperphysics.[...] Georgia State U.
_[13] 보고서 Leptonic decays of charged pseudo- scalar mesons http://pdg.lbl.gov/2[...] Lawrence Berkeley Lab 2013-12-18
_[14] 웹사이트 Quark Model http://pdg.lbl.gov/2[...] Lawrence Berkeley Laboratory
_[15] 서적 Introduction to Elementary Particles John Wiley & Sons
_[16] 저널 http://pdg8.lbl.gov/[...]
_[17] 서적 https://archive.org/[...]

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com