케이온

케이온(kaon, @@NAMATH_INLINE@@K@@NAMATH_INLINE@@)은 원자보다 작은 입자(subatomic particle)의 하나로서 쿼크와 반쿼크 쌍으로 이루어진 중간자(meson)의 일종인데, 야릇한 쿼크(@@NAMATH_INLINE@@s@@NAMATH_INLINE@@)나 야릇한 반쿼크(@@NAMATH_INLINE@@\bar s@@NAMATH_INLINE@@) 중에서 한 개와 위 쿼크(@@NAMATH_INLINE@@u@@NAMATH_INLINE@@), 아래 쿼크(@@NAMATH_INLINE@@d@@NAMATH_INLINE@@) 또는 그들의 반쿼크 중에서 한 개로 구성되어 있다. 즉 @@NAMATH_INLINE@@K^+(u\bar s)@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@K^0(d\bar s)@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@K^-(s\bar u)@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\bar K^0(s\bar d)@@NAMATH_INLINE@@의 네 종류가 있다.

목차

그림 1. 케이온 (출처:한국물리학회)

케이온은 강한 상호작용과 약한 상호작용의 성질을 연구하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한 입자이다. 1932년 중성자의 발견을 끝으로 물리학자는 원자를 구성하는 입자를 모두 발견하였다. 또한 1947년에는 유카와(H. Yukawa, 1907-1961)가 예견한 파이온이 발견됨으로써 원자핵에서 양성자와 중성자가 뭉쳐있는 이유가 밝혀졌다. 이에 따라 1947년에는 원자 구조에 대한 주요 문제가 모두 해결되었다고 잠시 동안 믿고 있었다. 그러나 1947년 12월에 우주선 관측 실험에서 전혀 예상하지 못한 새로운 입자가 발견되었다. 이 입자는 전기적으로 중성이었는데 두 개의 파이온(@@NAMATH_INLINE@@\pi^+@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\pi^-@@NAMATH_INLINE@@)으로 붕괴하였다. 이 새로운 입자가 중성 케이온(@@NAMATH_INLINE@@K^0@@NAMATH_INLINE@@)이다. 그리고 2년 뒤에는 전하를 가진 케이온도 발견되었다. 이는 소위 야릇한 입자(strange particles) 발견의 서막이었다. 1950년대에 가속기가 발전함에 따라 본격적으로 수많은 야릇한 입자가 발견되었고 입자물리학의 황금시대가 시작된다.

네 종류의 케이온 중에서 @@NAMATH_INLINE@@K^+@@NAMATH_INLINE@@는 양전하, @@NAMATH_INLINE@@K^-@@NAMATH_INLINE@@는 음전하를 띠고 있으며 이들은 서로의 반입자이다. 즉, @@NAMATH_INLINE@@K^+@@NAMATH_INLINE@@는 위쿼크 @@NAMATH_INLINE@@u@@NAMATH_INLINE@@와 야릇한 반쿼크 @@NAMATH_INLINE@@\bar s@@NAMATH_INLINE@@로 구성되어 있는데 @@NAMATH_INLINE@@u@@NAMATH_INLINE@@는 전하량이 ⅔e, @@NAMATH_INLINE@@\bar s@@NAMATH_INLINE@@는 ⅓e이므로 @@NAMATH_INLINE@@K^+@@NAMATH_INLINE@@의 전하는 +e인 것이다. 그리고 쿼크와 반쿼크를 바꿔 @@NAMATH_INLINE@@\bar u@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@s@@NAMATH_INLINE@@를 조합하면 @@NAMATH_INLINE@@K^+@@NAMATH_INLINE@@의 반입자가 되는데 이것이 바로 @@NAMATH_INLINE@@K^-@@NAMATH_INLINE@@이며 전하는 -e가 된다.

한편 위 쿼크대신 아래 쿼크를 사용하면 @@NAMATH_INLINE@@d \bar s@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@s \bar d@@NAMATH_INLINE@@로 입자를 만들 수 있다. 이들이 각각 @@NAMATH_INLINE@@K^0@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\bar K^0@@NAMATH_INLINE@@이다. 그런데 입자의 기호에도 0으로 표시를 했듯이 이 두 입자는 모두 중성이다. 그것은 @@NAMATH_INLINE@@u@@NAMATH_INLINE@@와는 달리 @@NAMATH_INLINE@@d@@NAMATH_INLINE@@는 전하가 -⅓e이기 때문이다. 즉, 중성 케이온은 두 종류가 있으며 이들은 서로의 반입자이다. 그리고 이런 사실 때문에 매우 재미 있는 현상이 일어난다. @@NAMATH_INLINE@@K^0@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\bar K^0@@NAMATH_INLINE@@를 반반씩 섞어놓은 것도 여전히 중성인 것이다. 양자역학적으로 이런 상태는 @@NAMATH_DISPLAY@@K_1 = \frac{1}{\sqrt2}(K^0 + \bar K^0) = \frac{1}{\sqrt2}(u\bar s + s\bar d),\qquad K_2 = \frac{1}{\sqrt2}(K^0 - \bar K^0) = \frac{1}{\sqrt2}(u\bar s - s\bar d)@@NAMATH_DISPLAY@@를 예로 들 수 있다. 즉, 전기적으로 중성인 케이온이 두 종류가 있는 것까지는 아무런 모호함이 없지만 구체적으로 종류를 둘로 구분할 때 어떻게 구분할 것이냐의 문제가 있는 것이다. 이것은 근본적으로 여러 양자역학적 상태를 입자들로 구분할 때 어떤 기준으로 구분할 것인가의 문제이다.

쿼크에는 강한 상호작용과 약한 상호작용이 모두 작용하므로 케이온도 마찬가지이다. 케이온이 생성될 때에는 두 상호작용이 모두 작동할 수 있는데 그 중에서 강한 상호작용이 훨씬 강하므로 약한 상호작용의 효과는 거의 무시할 수 있다. 즉, 케이온은 거의 대부분 강한 상호작용에 의해 생성된다. 반면에 케이온이 다른 입자로 붕괴하는 것은 약한 상호작용에 의해서만 가능하다. 이것은 케이온이 야릇한 쿼크 @@NAMATH_INLINE@@s@@NAMATH_INLINE@@를 포함한 입자 중에서 가장 가벼운 입자이기 때문이다. 케이온이 붕괴하려면 야릇한 쿼크가 다른 쿼크로 바뀌어야 하는데 강한 상호작용은 야릇함 수를 보존하기 때문에 야릇한 쿼크가 다른 쿼크로 바뀔 수가 없는 것이다. 결론적으로 케이온은 강한 상호작용으로 생성되지만 약한 상호작용으로 붕괴한다. 이런 이유 때문에 케이온은 수명이 10^-10초나 그 이상으로 길다.

표1에 케이온의 기본적인 특성에 대해 정리하였다. 단, 이 표에서는 편의상 아래에서 설명할 @@NAMATH_INLINE@@K_1@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@K_2@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@K_L@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@K_S@@NAMATH_INLINE@@의 구분을 하지 않았다.

중성 케이온은 생성과 붕괴 상태가 각각 다르다. 생성될 때에는 강한 상호작용의 고유 상태인 @@NAMATH_INLINE@@K^0=d \bar s@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\bar K^0=s \bar d@@NAMATH_INLINE@@로 생성되지만 이들은 약한 상호작용의 고유상태는 아니다. 그런데 붕괴는 약한 상호작용에 의해 일어나므로 특정한 수명 혹은 특정한 질량을 가지는 상태는 약한 상호작용의 고유상태여야 한다. 즉, @@NAMATH_INLINE@@K^0@@NAMATH_INLINE@@나 @@NAMATH_INLINE@@\bar K^0@@NAMATH_INLINE@@는 어떤 정해진 질량과 수명을 가지는 통상적인 의미의 입자가 아닌 것이다. 특정 질량과 수명을 가지는 약한 상호작용의 고유상태는 @@NAMATH_INLINE@@K_L@@NAMATH_INLINE@@과 @@NAMATH_INLINE@@K_S@@NAMATH_INLINE@@로 쓰는데 각각 K-롱(long), K-숏(short)으로 읽는다. 이는 수명이 상대적으로 긴 입자, 짧은 입자라는 의미이다. 이 상태는 위에서 도입한 @@NAMATH_INLINE@@K_1@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@K_2@@NAMATH_INLINE@@로 다음과 같이 쓸 수 있다. @@NAMATH_DISPLAY@@K_L = K_2 + \epsilon K_1, \qquad K_S = K_1 - \epsilon K_2 @@NAMATH_DISPLAY@@여기에서 @@NAMATH_INLINE@@\epsilon@@NAMATH_INLINE@@은 @@NAMATH_INLINE@@\epsilon=2.24 \times 10^{-3}@@NAMATH_INLINE@@ 정도의 작은 상수로서 CP 위반 상수라고 부른다. 만약 약한 상호작용이 CP 대칭성이 있으면 @@NAMATH_INLINE@@\epsilon@@NAMATH_INLINE@@이 0이어야만 한다는 것이 알려져 있는데, 실제 실험 결과는 0이 아닌 것으로 나타났기 때문에 이는 약한 상호작용에 CP 대칭성이 약간 깨져 있음을 의미한다.