中間子

中間子

スピン0の中間子は九重項を形成する
構成	複合：クォークと反クォーク
統計	ボソン
家族	ハドロン
インタラクション	強い力、弱い力、電磁力、重力
理論化された	湯川秀樹（1935）
発見した	1947
種類	~140 (リスト)
質量	134.9 MeV/ c 2（から π0 ) から 9.460 GeV/ c 2 ( ϒ ）
電荷	−1 電子、0 電子、+1 電子
スピン	0  ħ、 1  ħ

素粒子物理学において、中間子（/ ˈ m iː z ɒ n、ˈ m ɛ z ɒ n / ）は、同数のクォークと反クォーク（通常は1つずつ）が強い相互作用で結合したハドロン 素粒子の一種である。中間子はクォークのサブ粒子で構成されているため、直径がおよそ1フェムトメートル（10 ⁻¹⁵  m）^[1]という意味のある物理的サイズを持ち、これは陽子または中性子の約0.6倍である。すべての中間子は不安定で、最も寿命が長いものでもわずか10分の1ナノ秒程度しか持続しない。重い中間子は軽い中間子に崩壊し、最終的には安定した電子、ニュートリノ、光子になる。

原子核の外では、中間子は、宇宙線（高エネルギー陽子と中性子）や重粒子などのクォークでできた粒子間の非常に高エネルギーの衝突によって生じる短寿命の生成物としてのみ自然界に現れます。中間子は、陽子、反陽子、またはその他の粒子 の衝突において、サイクロトロンまたはその他の粒子加速器で人工的に定期的に生成されます。

より高エネルギー（より質量が大きい）中間子はビッグバンで瞬間的に生成されましたが、現在自然界で役割を果たしているとは考えられていません。しかし、そのような重い中間子は、より重い中間子を構成するより重いクォークの性質を調査する粒子加速器実験で定期的に生成されています。

中間子はハドロン粒子ファミリーの一部であり、2 つ以上のクォークで構成される粒子として簡単に定義されます。ハドロン ファミリーの他のメンバーは重粒子です。重粒子は、奇数 (少なくとも 3 つ) の価クォークで構成される亜原子粒子です。一部の実験では、従来の価クォーク 2 個 (1 つのクォークと 1 つの反クォーク) ではなく、4 個以上の価クォークを持つエキゾチック中間子の存在が示されています。

クォークはスピンを持っているため1/2⁠、中間子と重粒子のクォーク数の違いにより、従来の2クォーク中間子はボソンであり、重粒子はフェルミオンになります。

中間子の各タイプには、対応する反粒子（反中間子）があり、反中間子では、クォークが対応する反クォークに置き換えられ、その逆も行われます。たとえば、正のパイ中間子（
π⁺
）は、１つのアップクォークと１つのダウン反クォークから構成され、それに対応する反粒子である負のパイオン（
π⁻
）は、1 つのアップ反クォークと 1 つのダウンクォークで構成されています。

中間子はクォークで構成されているため、弱い相互作用と強い相互作用の両方に関与します。正味の電荷を持つ中間子は、電磁相互作用にも関与します。中間子は、クォークの含有量、全角運動量、パリティ、およびC パリティやG パリティなどのさまざまな特性によって分類されます。中間子は安定ではありませんが、質量の小さい中間子は質量の大きい中間子よりも安定しているため、粒子加速器や宇宙線実験で観察および研究しやすくなります。中間子の最も軽いグループは、重粒子の最も軽いグループよりも質量が小さいため、実験で簡単に生成でき、重粒子よりも高エネルギーの特定の現象をより簡単に示します。しかし、中間子は非常に質量が大きい場合があります。たとえば、J/Psi 中間子(
J/ψ
）は1974年に初めて発見され、^{[2] [3]}陽子の約3倍の質量を持ち、ユプシロン中間子（
ϒ
1977年に初めて発見されたボトムクォークを含む素粒子^[4]は、陽子の約10倍の質量を持っています。

理論的考察から、1934年に湯川秀樹^{[5] [6]は、}原子核をまとめる核力の運搬体として「中間子」の存在とおおよその質量を予測した。^[7]核力がなければ、2つ以上の陽子を持つすべての原子核は電磁反発によりバラバラに飛び散る。湯川は、その運搬粒子を「中間」を意味するギリシャ語のμέσος mesos から「中間子」と名付けた。これは、その予測質量が電子の質量と陽子の質量（電子の約1,836倍）の中間であったためである。ミューオンを発見した湯川、またはカール・デイヴィッド・アンダーソンは、当初その粒子を「メソトロン」と名付けたが、物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルク（父はミュンヘン大学のギリシャ語教授）によって訂正された。ハイゼンベルクは、ギリシャ語の「メソス」には「tr」がないことを指摘した。^[8]

湯川中間子の最初の候補は、現代の用語ではミュー粒子と呼ばれ、1936年にカール・デイビッド・アンダーソンらによって宇宙線相互作用の崩壊生成物から発見された。 「ミュー中間子」は、湯川の強い核力の担い手としてちょうどよい質量を持っていたが、その後の10年間で、適切な粒子ではないことが明らかになった。最終的に、「ミュー中間子」は強い核力相互作用にはまったく関与せず、むしろ電子の重いバージョンのように振る舞うことが判明し、最終的には中間子ではなく、電子のようなレプトンとして分類された。物理学者は、この選択を行うにあたり、粒子の質量以外の特性によって分類を制御すべきであると決定した。

第二次世界大戦中 (1939-1945) は、素粒子研究が何年も遅れ、ほとんどの物理学者が戦時中の必要に応じた応用プロジェクトに従事していた。1945 年 8 月に戦争が終結すると、多くの物理学者が徐々に平時の研究に戻っていった。最初に発見された真の中間子は、後に「パイ中間子」 (またはパイオン) と呼ばれるものであった。1939 年から 1942 年にかけて、デベンドラ・モハン・ボースとビバ・チョウドリは、ダージリンの標高の高い山岳地帯でイルフォード のハーフトーン写真乾板を露光し、アルファ粒子や陽子の軌跡とは異なるように見える長く湾曲した電離軌跡を観測した。ネイチャー誌に発表された一連の記事で、彼らは平均質量が電子の 200 倍に近い宇宙粒子を特定した。^[9]この発見は、1947年にイギリスのブリストル大学でアンデス山脈に置かれた写真フィルムに基づいて宇宙線生成物を調査していたセシル・パウエル、ヒュー・ミュアヘッド、セザール・ラテス、ジュゼッペ・オッキアリーニによって、改良されたフルトーン写真乳剤乾板でなされました。 ^[10]これらの中間子のいくつかは、すでに知られていたミュー「中間子」とほぼ同じ質量を持っていましたが、それに崩壊したようで、物理学者ロバート・マーシャクは1947年にそれが実際には新しい異なる中間子であると仮説を立てました。その後数年間で、より多くの実験により、パイオンが確かに強い相互作用に関与していることが示されました。パイオン（仮想粒子として）は、原子核（陽子と中性子の間）の核力をモデル化するための力の媒体としても使用されます。これは近似値です。強い力の実際の担い手はグルーオンであると考えられており、グルーオンはクォーク間の強い相互作用を明示的にモデル化するために使用されています。仮想ロー中間子などの他の中間子もこの力をモデル化するために使用されていますが、その程度は低いです。パイ中間子の発見に続いて、湯川は予測により 1949 年のノーベル物理学賞を受賞しました。

過去しばらくの間、中間子という言葉は、弱い相互作用を媒介する「Z ⁰中間子」などの力の運搬体を意味するために使われることがありました。^[11]しかし、この用法は好まれなくなり、中間子は現在、クォークと反クォークのペアで構成される粒子として定義されています。

スピン（量子数S）は、粒子の「固有の」角運動量を表すベクトル量です。スピンの増分は⁠1/2⁠  ħ . ^[A]

クォークはフェルミオンであり、具体的にはスピンを持つ粒子である。1/2⁠ ( S = ⁠1/2⁠）。スピン投影は1（つまり1ħ ）ずつ変化するので 、単一のクォークは長さ⁠のスピンベクトルを持ちます。1/2⁠、そして２つのスピン投影を持ちます（S _z = + ⁠1/2⁠ またはS _z = ⁠− +1/2⁠）。2つのクォークはスピンが揃っている場合があり、その場合 2 つのスピン ベクトルが加算されて長さS = 1 のベクトルが形成され、 3 つのスピン投影( S _z = +1、S _z = 0、およびS _z = −1) が可能になり、その組み合わせはベクトル中間子またはスピン 1三重項と呼ばれます。2 つのクォークが反対方向にスピンを揃えている場合は、スピン ベクトルが加算されて長さS = 0のベクトルが形成され、1 つのスピン投影( S _z = 0 )のみが形成され、これはスカラー中間子またはスピン 0シングレットと呼ばれます。中間子は 1 つのクォークと 1 つの反クォークで構成されているため、三重項とシングレットのスピン状態で見つかります。後者は、パリティ (以下を参照) に応じて スカラー中間子または擬スカラー中間子と呼ばれます。

量子化された角運動量の別の量は、軌道角運動量（量子数L）と呼ばれ、これはクォークが互いに周回することによる角運動量で、これも 1  ħの増分で表されます。粒子の全角運動量（量子数J ）は、2 つの固有角運動量（スピン）と軌道角運動量の組み合わせです。これは、 J = | L − S |からJ = | L + S |までの任意の値を1 の増分で 取ります。

素粒子物理学者は、軌道角運動量を持たない中間子（L  = 0）に最も興味を持っているため、最も研究されている2つの中間子グループは、 S  = 1; L  = 0とS  = 0; L = 0であり、これはJ  = 1とJ = 0 に対応します が、これらが唯一のものではありません。S  = 0とL = 1からJ  = 1粒子を得ることも可能です。S  = 1、L  = 0とS  = 0、L = 1中間子 をどのように区別するかは、中間子分光法 の活発な研究分野です。^[12]

Pパリティは左右パリティ、または空間パリティであり、発見されたいくつかの「パリティ」の最初のものであるため、単に「パリティ」と呼ばれることがよくあります。宇宙が鏡に映った場合、ほとんどの物理法則は同一になります。つまり、私たちが「左」と呼んでいるものや「右」と呼んでいるものに関係なく、物事は同じように動作します。この鏡映しの概念はパリティ( P ) と呼ばれます。重力、電磁力、および強い相互作用はすべて、宇宙が鏡に映っているかどうかに関係なく同じように動作するため、パリティ( P対称性) が保存されると言われています。ただし、弱い相互作用は「左」と「右」を区別します。これはパリティ違反( P違反)と呼ばれる現象です。

これに基づいて、各粒子の波動関数（より正確には、各粒子タイプの量子場）が同時に鏡映反転された場合、新しい波動関数のセットは物理法則を完全に満たす（弱い相互作用は別として）と思われるかもしれません。しかし、これは完全には正しくありません。方程式を満たすためには、特定のタイプの粒子の波動関数は、鏡映反転されているだけでなく、-1 を掛ける必要があります。このような粒子タイプは、負または奇数パリティ（P  = -1、または代わりにP  = -）を持つと言われ、他の粒子は正または偶数パリティ（P  = +1、または代わりにP  = +）を持つと言われています。

中間子の場合、パリティは軌道角運動量と次の関係で結びついている：^{[13] [14]}

${\displaystyle P=\left(-1\right)^{L+1}}$

ここで、L は波動関数の対応する球面調和関数のパリティの結果です。「+1」は、ディラック方程式によれば、クォークと反クォークが反対の固有パリティを持つという事実に由来します。したがって、中間子の固有パリティは、クォーク (+1) と反クォーク (-1) の固有パリティの積です。これらは異なるため、その積は -1 となり、指数に現れる「+1」に寄与します。

その結果、軌道角運動量ゼロ（L  = 0）の中間子はすべて奇パリティ（P  = −1）を持つ。

Cパリティは、自分自身が反粒子である中間子（つまり中性中間子）に対してのみ定義されます。これは、中間子の波動関数が、そのクォークと反クォークの交換によって同じままであるかどうかを表します。[ ^15]

${\displaystyle |q{\bar {q}}\rangle =|{\bar {q}}q\rangle }$

すると中間子は「C偶数」（C  = +1）となる。一方、

${\displaystyle |q{\bar {q}}\rangle =-|{\bar {q}}q\rangle }$

中間子は「C奇数」（C  = −1）である。

Cパリティは単独で研究されることは稀で、Pパリティと組み合わせてCPパリティとして研究されることが一般的です。CPパリティは当初保存されると考えられていましたが、後に弱い相互作用でまれに破れることが分かりました。^{[16] [17] [18]}

GパリティはCパリティの一般化である。単純にクォークと反クォークを交換した後の波動関数を比較するのではなく、クォークの含有量に関係なく、中間子を対応する反中間子と交換した後の波動関数を比較する。^[19]

もし

${\displaystyle |q_{1}{\bar {q}}_{2}\rangle =|{\bar {q}}_{1}q_{2}\rangle }$

すると中間子は「G偶数」（G  = +1）となる。一方、

${\displaystyle |q_{1}{\bar {q}}_{2}\rangle =-|{\bar {q}}_{1}q_{2}\rangle }$

すると中間子は「G奇数」（G  = −1）となる。

アイソスピンの概念は、 1932年にヴェルナー・ハイゼンベルクによって初めて提唱され、強い相互作用における陽子と中性子の類似性を説明するために提案されました。^[20]それらは電荷が異なっていたにもかかわらず、質量が非常に似ていたため、物理学者はそれらが実際には同じ粒子であると信じていました。異なる電荷は、スピンに似た未知の励起の結果であると説明されました。この未知の励起は、後にユージン・ウィグナーによって1937年にアイソスピンと名付けられました。 ^[21]

最初の中間子が発見されたとき、それらもアイソスピンの観点から見られ、そのため 3 つのパイ中間子は同じ粒子だが、異なるアイソスピン状態にあると考えられていました。

アイソスピンの数学はスピンの数学をモデルにしています。アイソスピンの投影はスピンの投影と同様に 1 ずつ増分され、各投影には「荷電状態」が関連付けられています。「パイオン粒子」には 3 つの「荷電状態」があるため、アイソスピンI = 1であると言われています。その「荷電状態」
π⁺
、
π⁰
、 そして
π⁻
は、それぞれアイソスピン射影I ₃ = +1、I ₃ = 0、 I 3 ₌ −1に対応しています。別の例としては、「ロー粒子」があり、これも3つの荷電状態を持ちます。その「荷電状態」
ρ⁺
、
ρ⁰
、 そして
ρ⁻
は、それぞれアイソスピン射影I ₃ = +1、I ₃ = 0、 I 3 ₌ −1に対応していました。

この信念は、マレー・ゲルマンが1964年にクォーク模型（当初はu、d、sクォークのみを含む）を提唱するまで続きました。^{[22]アイソスピン模型の成功は、} uクォークとdクォークの質量が似ていることによる結果であると現在では理解されています。uクォークとdクォークの質量は似ているため、同じ数のそれらで構成される粒子の質量も同様になります。

uクォークとdクォークの正確な構成によって電荷が決まります。uクォークは電荷を帯びるためです⁠ ++2/3⁠一方、 dクォークは電荷を帯びる⁠−+1/3例えば、3つのパイオンはすべて異なる電荷を持っています

• 
  π⁺
  = (
  あなた
  
  d
  ）
• 
  π⁰
  = （の量子重ね合わせ）
  あなた
  
  あなた
  ） そして（
  d
  
  d
  ）州
• 
  π⁻
  = (
  d
  
  あなた
  ）

しかし、それらはすべて同様の質量を持っています（約1億2,000万年前）。 これらはそれぞれ、同じ数のアップクォーク、ダウンクォーク、反クォークで構成されていることから、最大エネルギーは 140 MeV/ c ^{2です。アイソスピンモデルでは、これらは異なる荷電状態にある単一の粒子とみなされていました。}

クォークモデルが採用された後、物理学者はアイソスピン投影が粒子のアップクォークとダウンクォークの含有量と次の関係で関係していることに気づいた。

${\displaystyle I_{3}={\frac {1}{2}}\left[\left(n_{\text{u}}-n_{\bar {\text{u}}}\right)-\left(n_{\text{d}}-n_{\bar {\text{d}}}\right)\right],}$

ここで、n記号はアップクォークとダウンクォーク、反クォークの数を表します。

「アイソスピン図」では、3 つのパイオンと 3 つのローは 2 つの粒子の異なる状態であると考えられていました。しかし、クォーク モデルでは、ローはパイオンの励起状態です。アイソスピンは、物事の不正確な図を伝えるにもかかわらず、ハドロンの分類に今でも使用されており、不自然で混乱を招くことが多い命名法につながっています。

中間子はハドロンなので、アイソスピン分類もそれらすべてに使用され、量子数はI ₃ = + ⁠を加算して計算されます。 1/2⁠ 正に帯電したアップクォークまたはダウンクォークまたは反クォーク（アップクォークとダウン反クォーク）ごとに、 I ₃ = − ⁠ 1/2⁠ 負に帯電したアップクォークまたはダウンクォークまたは反クォーク（アップ反クォークとダウンクォーク）ごとに。

ストレンジネス量子数S (スピン と混同しないでください) は、粒子の質量とともに上下することが確認されています。質量が大きいほど、ストレンジネスは低くなります (負の値が大きくなります) (s クォークの数が多い)。粒子は、アイソスピン射影 (電荷に関連) とストレンジネス (質量) で記述できます (uds ノネットの図を参照)。他のクォークが発見されると、udc ノネットと udb ノネットの同様の記述を持つ新しい量子数が作られました。u と d の質量のみが類似しているため、アイソスピンとフレーバー量子数による粒子の質量と電荷のこの記述は、1 つの u、1 つの d、およびもう 1 つの他のクォークからなるノネットに対してのみ有効であり、他のノネット (たとえば、ucb ノネット) では無効です。クォークがすべて同じ質量であれば、強い相互作用に関してすべてまったく同じように動作するため、それらの動作は対称的と呼ばれます。しかし、クォークは同じ質量を持たないため、同じように相互作用しません（電界内に置かれた電子は、質量が軽いため、同じ電界内に置かれた陽子よりも加速するのとまったく同じです）。そのため、対称性が破れていると言われています。

電荷（Q）はアイソスピン射影（I3）、重粒子数（B）、フレーバー量子数（_S 、 C 、 B ′ 、 T ）とゲルマン・西島の公式によって関係していることが指摘されている：^[23]

${\displaystyle Q=I_{3}+{\frac {1}{2}}(B+S+C+B^{\prime }+T),}$

ここで、S、C、B ′、Tはそれぞれストレンジネス、チャーム、ボトムネス、トップネスのフレーバー量子数を表します。これらは、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップクォークと反クォークの数と次の関係で関連しています。

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=-(n_{\text{s}}-n_{\bar {\text{s}}})\\C&=+(n_{\text{c}}-n_{\bar {\text{c}}})\\B^{\prime }&=-(n_{\text{b}}-n_{\bar {\text{b}}})\\T&=+(n_{\text{t}}-n_{\bar {\text{t}}}),\end{aligned}}}$

つまり、ゲルマン-西島の公式はクォークの量で表した電荷の表現と同等である。

${\displaystyle Q={\frac {2}{3}}[(n_{\text{u}}-n_{\bar {\text{u}}})+(n_{\text{c}}-n_{\bar {\text{c}}})+(n_{\text{t}}-n_{\bar {\text{t}}})]-{\frac {1}{3}}[(n_{\text{d}}-n_{\bar {\text{d}}})+(n_{\text{s}}-n_{\bar {\text{s}}})+(n_{\text{b}}-n_{\bar {\text{b}}})].}$

中間子は、アイソスピン（I）、全角運動量（J）、パリティ（P）、Gパリティ（G）またはCパリティ（C）、およびクォーク（q）含有量に応じてグループに分類されます。分類のルールは粒子データグループによって定義されており、かなり複雑です。^[24]以下に、わかりやすくするために表形式でルールを示します。

中間子はスピン構成に応じていくつかのタイプに分類されます。特定の構成には、スピン構成の数学的特性に基づいて特別な名前が付けられます。

フレーバーレス中間子は、同じフレーバーのクォークと反クォークのペアで構成された中間子である（フレーバー量子数はすべてゼロ：S = 0、C = 0、B ′ = 0、T = 0）。^[i]フレーバーレス中間子の規則は以下のとおりである：^[24]

加えて

• 中間子の分光学的状態が分かっている場合は、括弧内に追加されます。
• 分光学的状態が不明な場合は、括弧内に質量（MeV/ c ²単位）が付加されます。
• 中間子が基底状態にあるときは、括弧内に何も追加されません。

フレーバー中間子は、異なるフレーバーのクォークと反クォークのペアでできた中間子である。この場合のルールはより単純である。主記号は重いクォークに依存し、上付き文字は電荷に依存し、下付き文字（ある場合）は軽いクォークに依存する。表形式では、次のようになる。^[24]

加えて

• J ^{P が}「正規列」にある場合（つまり、 J ^P = 0 ⁺、1 ⁻、2 ⁺、3 ⁻、...）、上付き文字 ∗ が追加されます。
• 中間子が擬スカラー（J ^P = 0 ⁻）でもベクトル（J ^P = 1 ⁻）でもない場合は、添え字としてJが追加されます。
• 中間子の分光学的状態が分かっている場合は、括弧内に追加されます。
• 分光学的状態が不明な場合は、括弧内に質量（MeV/ c ²単位）が付加されます。
• 中間子が基底状態にあるときは、括弧内に何も追加されません。

ハドロン（つまりクォークで構成されている）であり、色中性で重粒子数がゼロである粒子については実験的証拠があり、したがって従来の定義では中間子である。しかし、これらの粒子は、上で説明した他のすべての従来の中間子のように、単一のクォーク/反クォークのペアで構成されていません。これらの粒子の暫定的なカテゴリは、エキゾチック中間子です。

2つ以上の独立した実験によって存在が実験的に確認されているエキゾチック中間子共鳴は少なくとも5つあります。これらの中で最も統計的に重要なのは、 2007年にBelle実験で発見され、2014年にLHCbによって確認されたZ(4430)です。これはテトラクォーク（2つのクォークと2つの反クォークからなる粒子）の候補です。^[26]エキゾチック中間子の候補となる他の粒子共鳴については、上記のメイン記事を参照してください。

^[a] ^ クォーク質量がゼロではないため、メイクアップは不正確です。
^[b] ^ PDGは共鳴幅（Γ）を報告します。ここでは、代わりにτ = ħ ⁄ Γの変換 が与えられています。^[c] ^強い固有状態。明確な寿命はありません（以下のK中間子 の注記を参照）^[d] ^


け⁰
_リットルそして
け⁰
_秒のものとして与えられている
け⁰
しかし、
け⁰
_リットルそして
け⁰
_秒程度2.2 × 10 ⁻¹¹  MeV/ c ²が存在する。^[36]
[e] ^弱い固有状態。小さなCP対称性を破る項が欠けている（下記の中性K中間子に関する注記を参照）。

^[f] ^ PDGは共鳴幅（Γ）を報告します。ここでは代わりにτ = ħ ⁄ Γの変換 が与えられます。^[g] ^ 正確な値は使用される方法によって異なります。詳細については、指定された参考文献を参照してください。

中性 K中間子には2つの複雑な問題がある: ^[55]

• 中性K中間子の混合により、
  け⁰
  _秒そして
  け⁰
  _リットルこれらはストレンジネスの固有状態ではありません。しかし、これらは弱い力の固有状態であり、それが粒子の崩壊方法を決定するため、一定の寿命を持つ粒子です。
• 表に示されている線形結合は、
  け⁰
  _秒そして
  け⁰
  _リットルCP 対称性の破れによる小さな補正があるため、厳密には正しくありません。K中間子における CP 対称性の破れを参照してください。

これらの問題は原理的には他の中性フレーバー中間子にも存在することに注意する。しかし、弱固有状態は寿命が劇的に異なるため、K中間子の場合のみ別個の粒子としてみなされる。^[55]

• 中間子分子
• 標準モデル

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• 「粒子データ グループ」。ローレンス バークレー研究所(メイン ページ)。カリフォルニア州ローレンス。— 粒子特性に関する信頼できる情報をまとめる
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