입실론 중간자
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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.
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| 입실론 중간자 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 이름 | 입실론 (ϒ) |
| 종류 | 1 |
| 구성 | 바닥 쿼크 반바닥 쿼크 |
| 통계 | 보손 |
| 그룹 | 중간자 |
| 상호작용 | 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기, 중력 |
| 반입자 | 자기 자신 |
| 발견 | E288 실험 (1977년) |
| 기호 | ϒ |
| 전하 | 0 e |
| 스핀 | 1 |
| 아이소 스핀 | 0 |
| 초전하 | 0 |
| 패리티 | -1 |
| C-패리티 | -1 |
| 발견 및 이론 | |
| 이론 | 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데 |
| 발견 | 리언 레더먼 |
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,[9][10] 3세대 쿼크의 존재를 증명하였다.
2. 1. 고바야시-마스카와 이론
1973년에 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데는 CP 위반을 설명하기 위하여 3세대의 쿼크의 존재와 해당하는 하드론을 예측하였다.[9][10] 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.[9][10] 질량은 9460.30±0.26MeV이며,[1][2] 수명은 약 10-20초이다.
- Υ(2S): 질량은 10.02326±0.00031 GeV이다.[3]
- Υ(3S): 질량은 10.3552±0.0005 GeV이다.[5]
- Υ(4S): 거의 전부(96% 이상)가 B 중간자 쌍으로 붕괴하며, 하전 B 중간자 쌍과 중성 B 중간자 쌍의 비율은 거의 같다.[6] B 팩토리에서 이 Υ(4S)를 생성하며, 입자 물리학 실험에서 매우 중요한 입자이다.[6]
- Υ(10860) [Υ(5S)]: 질량은 10.865GeV이다.[7]
- Υ(11020) [Υ(6S)]: 질량은 11.019±0.008 GeV이다.[8]
3. 1. Υ(1S)
1977년 페르미 국립 가속기 연구소에서 레온 레더먼이 이끄는 팀이 처음 발견한 입실론 중간자로, 이는 바닥 쿼크의 발견이기도 하다.[9][10]질량은 9460.30±0.26MeV이다.[1][2]
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.[3]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.[4]
3. 3. Υ(3S)
Υ(3S)의 질량은 10.3552±0.0005 GeV이다.[5]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.[6]이 때문에 B 팩토리에서는 이 Υ(4S)를 생성하며, 입자 물리학 실험에서 매우 중요한 입자이다.[6]
3. 5. Υ(10860) [Υ(5S)]
질량은 10.865GeV이다.[7]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.[8]붕괴에 대해서는 극히 소량의 비율로 전자쌍으로의 붕괴가 관측되고 있는 것 외에는, 현 시점에서는 미상이다.
4. 성질
웁실론 중간자는 바닥 쿼크와 그 반입자가 스핀 1 상태(스핀 삼중항)와 궤도 각운동량 0 (S 상태)로 결합된 것이다. Υ(nS) 또는 질량 (MeV)으로 표기한다. (예: Υ(10860))[1]
전하나 맛깔을 갖지 않으며, 아이소스핀도 0이다.[1]
QCD에 따르면 스핀이 0인 상태는 웁실론 중간자보다 질량이 약간 가벼워진다.[1]
참조
[1]
간행물
質量等のデータは、Particle Data Group（Physics Letter, '''B667''', 1 (2008)）による。
[2]
URL
http://pdg.lbl.gov/2[...]
[3]
URL
http://pdg.lbl.gov/2[...]
[4]
잡지
「パリティ」（丸善）2009年2月号に日本語訳された解説文が掲載されている。
丸젠
[5]
URL
http://pdg.lbl.gov/2[...]
[6]
URL
http://pdg.lbl.gov/2[...]
[7]
URL
http://pdg.lbl.gov/2[...]
[8]
URL
http://pdg.lbl.gov/2[...]
[9]
논문
Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 Gev in 400-GeV Proton-Nucleus Collisions
1977
[10]
Conference Proceedings
The Discovery of the b Quark at Fermilab in 1977: The Experiment Coordinator's Story
1998
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