중간자

중간자는 그것을 구성하는 쿼크들이 강하게 결합하고 있기 때문에 강한 핵력(핵자들을 결합하는 힘)에 민감하다.

중간자는 반정수(半定數)의 스핀을 갖는 짝수의 쿼크를 포함하기 때문에 그 자체는 정수의 스핀이다. 중간자는 140MeV~10GeV의 넓은 범위의 질량을 갖는다. 1935년 일본의 물리학자 유카와 히데키[湯川秀樹]에 의해 최초로 많은 종류의 중간자들이 발견되었다. 현재까지 확인된 중간자들 중 π(파이)중간자와 K중간자가 가장 중요하다. 파이온이라고도 불리는 π중간자는 원자핵 내에서 양성자와 중성자 사이의 강력을 일으킨다.

케이온이라고도 하는 K중간자는 여러 붕괴방식을 갖는다. 이들 과정을 조사하면 반전성(자연에서 소립자나 물리계가 거울상을 나타내는가의 여부)과 그것의 보존 여부에 대해 더 자세히 알 수 있다.

중간자는 모든 강입자(hadron：강력을 나타내는 원자구성입자)와 관계되는 물질의 기본단위인 쿼크의 특성과 작용을 연구하기 위한 유용한 도구이다.

불안정하긴 하지만 입자측정기로 관측될 만큼(10억 분의 수초 정도) 존재하기 때문에 연구자들에게 쿼크의 운동을 재구성할 수 있도록 한다. 쿼크를 설명하는 모형은 중간자의 운동을 정확하게 밝혀야 한다. 미국의 물리학자 M. 겔 만과 Y. 네만에 의해 고안된 현대 쿼크 모형의 선구인 8정도는 이타(h) 중간자를 예측하고 발견하는 데 성공했다(1962)(8정도). 그로부터 몇 년 후 π중간자가 2개의 광자로 붕괴하는 비율을 써서 쿼크가 3개의 '색'(어떤 양자수의 값) 중 하나를 가진다는 가설을 뒷받침했다.

K중간자 체계의 하전공액 반전성붕괴(CP violation：하전공액 C와 반전성 P가 결합된 보존법칙의 위반)에 대한 연구에서 주장된 중간자의 행동은 뜻밖의 일로서 매우 중요한 현상이었다.

중간자는 또한 새로운 쿼크를 발견하기 위한 수단을 제공한다. 1974년에 발견된 J/Ψ(제이 프사이) 입자는 c(charm[매혹]) 쿼크와 그것의 반쿼크로 이루어진 중간자임이 밝혀졌는데 그때까지는 u(up[위]), d(down[아래]), s(strange[기묘])의 3가지 쿼크를 가정했다.

그것은 쿼크가 쌍으로 생성됨을 말해주는, 새로운 양자수의 c쿼크를 처음으로 나타낸 사실이었다. 그후에 발견된 입실론(υ)이라는 또하나의 중(重)중간자는 b(bottom[하층]) 쿼크와 그것의 반쿼크를 발견하게 했으며 동류입자인 t(top[상층])쿼크의 존재에 대해서 연구하게 했다. 그런데 지금까지 이 6번째의 쿼크를 찾아내려는 노력은 성공하지 못했다. 그 존재를 결정적으로 증명하면 연구자들은 현재의 쿼크 모형에 대한 기본 가정을 지지하는 직접적인 증거를 얻게 된다(매혹쿼크, 입실론 중간자).

1995년 미국의 페르미가속기연구소에서는 t(top[상층])쿼크를 발견했다고 공식적으로 발표했다.

t쿼크에 대한 놀라운 사실은 그 질량이 1,800억eV로 거의 금원자핵 하나의 질량과 맞먹는다는 점이다. 금원자핵 하나에는 양성자와 중성자가 190개 이상 들어 있다. 양성자보다 훨씬 무거운 쿼크가 어떻게 양성자의 구성입자가 될 수 있을까. 하지만 이는 큰 문제가 되지 않는다. 가장 가벼운 u(up[위])쿼크와 d(down[아래])쿼크를 제외하고 쿼크 가족들은 평균수명이 매우 짧아 현재의 물질 중에 존재하지 않기 때문이다. 어찌되었든 기본 입자인 t쿼크가 왜 이리 무거운가는 물리학자들이 풀어야 할 과제이다.

물리학자들은 t쿼크가 무거운 것이 어쩌면 질량의 본질에 대한 단서를 제공할 수 있지 않을까 하고 생각한다.→ 원자구성입자, 쿼크