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터닝메카드의 메카니멀에 대한 내용은 파이온(터닝메카드) 문서 참고하십시오.| 강입자 | |
| 메손 | 파이온 · 케이온 |
| 바리온 | 양성자 · 중성자 · 펜타쿼크 |
| 주요 성질 | |
| 아이소스핀 | |
1. 개요
中間子 / Meson중간자 또는 메손은 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크로 이루어진 강입자로, 스핀이 정수인 보손 입자이다. 주된 예로 파이온과 케이온이 있다. 중간자라는 이름은 이론상의 계산을 한 결과, 그 질량이 양성자와 전자의 중간이었던 데서 유래한다. 유카와 히데키가 존재를 예측하고 프랑크 파월이 처음 그 존재를 발견했다.
메존으로도 불리는데 국립국어원의 표준국어대사전에는 메손으로만 등재되어있다.
2. 분류
메손은 스핀, 아이소스핀, 반전성(parity)과 전하 켤레 대칭성에 따라 구분한다. 메손은 쿼크와 반쿼크로 이루어져 있기 때문에 반전 대칭을 하면 바리온과는 다르게 파동함수에 -1 부호가 붙는다. 들뜬 상태에 있는 메손의 파동함수는 구면 조화 함수로 나타내어지며 구면조화함수는 반전 대칭에 대해 [math(Y_l^m(\pi -\theta, \pi+\phi )=(-1)^l Y_l^m(\theta,\phi))]로 변화하므로 메손의 반전성 양자수는 [math(P=(-1)^{l+1})] 이다.전하 켤레 변환은 입자를 반입자로 바꾸는 변환이다. 바리온은 반입자와 입자가 항상 구분되지만, 메손은 반입자가 자기 자신이 되는 경우가 존재한다. 반입자가 자기 자신과 같은 입자들은 반입자의 파동함수의 부호가 원래와 같은 경우와 부호가 반대인 경우로 나눌 수 있다. 메손 반입자의 파동함수 부호는 메손을 이루는 쿼크들의 스핀 상태와 관련되어 있다. 쿼크는 스핀 1/2 입자이며, 스핀 1/2 입자 두 개의 조합으로 나타나는 스핀 상태는 스핀 양자수 s=1의 삼중항(triplet)과 s=0의 단일항(singlet)으로 나눌 수 있다. 각 상태에 전하 켤레 변환을 하면 s=0의 스핀 단일항은 -1의 계수가 붙고 s=1의 스핀 삼중항은 그대로 유지된다. 즉 메손에 전하 켤레 변환을 하면 쿼크들의 스핀 상태로 인해 [math((-1)^{s+1})] 의 계수가 추가로 붙는다. 쿼크와 반쿼크를 맞바꾸면 [math(Y_l^m)] 은 [math((-1)^l)] 로 변하고 페르미 디랙 분포에 따라 -1이 붙기 때문에 양자수 l과 s를 가진 메손의 전하 켤레 변환 양자수는 [math(C=-(-1)^{s+1}(-1)^l=(-1)^{l+s})] 이다. 이때 메손 전체의 스핀은 j=l+s 또는 l-s 로 주어진다. 자세한 내용은 Halzen의 Quarks and Leptons 참고.
기묘도, 참 양자수, 보텀 양자수를 지니지 않은 메손은 표와 같이 이름을 붙인다.
| 반전성과 전하켤레 대칭성 | - + | + - | - - | + + |
| [math(u\bar{d})], [math(u\bar{u}-d\bar{d})], [math(d\bar{u})] (I=1) | [math(\pi)] | [math(b)] | [math(\rho)] | [math(a)] |
| [math(u\bar{u}+d\bar{d})] and/or [math(s\bar{s})] (I=0) | [math(\eta)], [math(\eta^{\prime})] | [math(h)],[math(h^{\prime})] | [math(\omega)],[math(\phi)] | [math(f)],[math(f^{\prime})] |
| [math(c\bar{c})] | [math(\eta_c)] | [math(h_c)] | [math(\psi)][1] | [math(\chi_c)] |
| [math(b\bar{b})] | [math(\eta_b)] | [math(h_b)] | [math(\Upsilon)] | [math(\chi_b)] |
[math(\eta)]와 [math(\eta^{\prime})] 처럼 아이소스핀이 0인 메손들은 [math(u\bar{u}+d\bar{d})] 와 [math(s\bar{s})] 중에 어느 상태의 비중이 더 높은지로 다시 구분한다.
한개의 스트레인지 쿼크를 가진 메손은 K, 하나의 참쿼크를 가진 메손은 D, 하나의 보텀 쿼크를 가진 메손은 B로 나타낸다. 이들에 대하여는 전하 켤레 대칭성 양자수를 정의할 수 없다. 이들의 스핀과 반전성이 0-, 1+, 2- 라는 일반적인 관계에서 벗어나는 경우에는 첨자로 *을 붙인다.
아래는 메손의 목록이다. 자세한 데이터는 Particle Data Group 의 웹사이트 참고.https://pdglive.lbl.gov
2.1. 가벼운 메손
| 이름 | 아이소스핀 | 스핀 | 반전성 | 전하켤레대칭성 | 질량(MeV) |
| [math(\pi^{\pm})] | 1 | 0 | - | 139.57039(18) | |
| [math(\pi^{0})] | 1 | 0 | - | + | 134.9768(5) |
| [math(\eta)] | 0 | 0 | - | + | 547.862(23) |
| [math(f_0(500))] ([math(\sigma)] 라고도 불림) | 0 | 0 | + | + | 400~800 |
| [math(\rho(770))] | 1 | 1 | - | - | 775.26(23) |
| [math(\omega(782))] | 0 | 1 | - | - | 782.66(13) |
| [math(\eta^{\prime}(958))] | 0 | 0 | - | + | 957.78(6) |
| [math(\phi(1020))] | 0 | 1 | - | - | 1019.461(16) |
2.2. 스트레인지 메손
케이온 으로 불린다.| 이름 | 아이소스핀 | 스핀 | 반전성 | 질량(MeV) |
| [math(K^{\pm})] | 1/2 | 0 | - | 493.577(16) |
| [math(K^{0})] | 1/2 | 0 | - | 497.611(13) |
| [math(K_0^*(700))] | 1/2 | 0 | + | 700~900 |
| [math(K^{*}(892))] | 1/2 | 1 | - | 891.67(26) |
2.3. 참 메손
| 이름 | 아이소스핀 | 스핀 | 반전성 | 질량(MeV) |
| [math(D^{\pm})] | 1/2 | 0 | - | 1869.66(5) |
| [math(D^{0})] | 1/2 | 0 | - | 1864.84(5) |
| [math(D_s^{+})] | 0 | 0 | - | 1968.35(7) |
2.4. 보텀 메손
| 이름 | 아이소스핀 | 스핀 | 반전성 | 질량(MeV) |
| [math(B^{\pm})] | 1/2 | 0 | - | 5279.34(12) |
| [math(B^{0})] | 1/2 | 0 | - | 5279.65(12) |
| [math(B_s^{0})] | 0 | 0 | - | 5366.88(14) |
| [math(B_c^{+})] | 0 | 0 | - | 6274.47(32) |
2.5. 차모늄(charmonium)
참쿼크와 반참쿼크 [math(c\bar{c})] 로 이루어진 메손. 포지트로늄에서 이름을 따와 차모늄이라 부른다. [math(J/\psi)] 는 사이온(psion)이라고도 부른다.| 이름 | 아이소스핀 | 스핀 | 반전성 | 전하켤레대칭성 | 질량(MeV) |
| [math(\eta_c(1S))] | 0 | 0 | - | + | 2983.9(4) |
| [math(J/\psi(1S))] | 0 | 1 | - | - | 3096.900(6) |
| [math(\chi_{0c}(1P))] | 0 | 0 | + | + | 3414.71(30) |
2.6. 보토모늄(bottomonium)
보텀쿼크와 반보텀쿼크 [math(b\bar{b})] 로 이루어진 메손. 보토모늄이라 부른다.| 이름 | 아이소스핀 | 스핀 | 반전성 | 전하켤레대칭성 | 질량(MeV) |
| [math(\eta_b(1S))] | 0 | 0 | - | + | 9398.7(2.0) |
| [math(\Upsilon(1S))] | 0 | 1 | - | - | 9460.30(26) |
| [math(\chi_{0b}(1P))] | 0 | 0 | + | + | 9859.44(42)(31) |
[1] 바닥 상태는 [math(J/\psi)]