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	複合体：クォークと反クォーク
統計	ボソン
家族	ハドロン
相互作用	強い力、弱い力、電磁力、重力力
理論化された	湯川秀樹（1935年）
発見した	1947
種類	~140 (リスト)
質量	134.9 MeV/ c ^2（π^0）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素粒子で構成されているため、直径およそ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、これは陽子や中性子の約0.6倍である。すべての中間子は不安定で、最長寿命でもわずか数十ナノ秒しか持続しない。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、中間子は自然界では、宇宙線（高エネルギー陽子と中性子）やバリオン物質など、クォークからなる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存在します。中間子は、サイクロトロンなどの粒子加速器において、陽子、反陽子、その他の粒子 の衝突によって人工的に日常的に生成されます。

より高エネルギー（より質量の大きい）中間子はビッグバンにおいて瞬間的に生成されましたが、今日の自然界では役割を果たしていないと考えられています。しかしながら、こ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探る粒子加速器実験において定期的に生成されています。

中間子はハドロン粒子族に属し、2つ以上のクォークからなる粒子として簡単に定義されます。ハドロン族の他のメンバーは重粒子です。重粒子は、奇数個（少なくとも3個）の価クォークからなる亜原子粒子です。また、いくつかの実験では、エキゾチック中間子の存在が示唆されています。エキゾチック中間子は、従来の価クォーク2個（クォーク1個と反クォーク1個）ではなく、4個以上の価クォークを持つ粒子です。

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となります。

それぞれの中間子には、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、またその逆が行われます。例えば、正のパイ中間子（π⁺）は、アップクォーク１個とダウン反クォーク１個から構成され、それに対応する反粒子は負のパイオン（π⁻）は、アップ反クォーク 1 個とダウンクォーク 1 個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他の特性によって分類されます。安定した中間子はありませんが、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測および研究しやすくなっています。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、重粒子よりも特定の高エネルギー現象をより簡単に示します。しかし、中間子はかなり質量が大きい場合がある。例えば、チャームクォークを含むJ/プサイ中間子（J/ψ ）は1974年に初めて観測され、^{[ 2 ] [ 3 ]}、陽子の約3倍の質量があり、ボトムクォークを含むユプシロン中間子（ϒ）は1977年に初めて観測され、^{[ 4 ]}、陽子の約10倍の質量がある。

歴史

1934年、湯川秀樹^{[ 5 ] [ 6 ]}は理論的な考察に基づき、原子核を結びつける核力の担い手として「中間子」の存在と質量を予言しました。^{[ 7 ]}核力がなければ、2個以上の陽子を持つすべての原子核は電磁気反発によってバラバラに飛び散ってしまいます。湯川は、この担い手粒子をギリシャ語の「中間」を意味するμέσος mesosにちなんで「メソン」と名付けました。これは、その質量が電子の質量と陽子の質量（電子の約1,836倍）の中間にあると予測されたためです。ミューオンを発見した湯川、あるいはカール・デイヴィッド・アンダーソンは、当初この粒子を「メソトロン」と名付けていましたが、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）によって訂正されました。ハイゼンベルクは、ギリシャ語の「メソス」に「tr」が含まれていないことを指摘しました。^{[ 8 ]}

湯川中間子の最初の候補は、現代の用語ではミューオンと呼ばれ、1936年にカール・デイヴィッド・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ました。 「ミュー中間子」は湯川の強い核力の担い手としてほぼ適切な質量を持っていましたが、その後10年の間に、それが適切な粒子ではないことが明らかになりました。最終的に、「ミュー中間子」は強い核力相互作用には全く関与せず、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、中間子ではなく、電子と同様にレプトンに分類されました。この選択において、物理学者たちは粒子の質量以外の特性に基づいて分類すべきだと判断しました。

第二次世界大戦（1939～1945年）中、素粒子研究は長年にわたり遅延し、ほとんどの物理学者は戦時中の必要に応じた応用プロジェクトに従事していました。1945年8月に終戦を迎えると、多くの物理学者は徐々に平時の研究に戻りました。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）と呼ばれることになるものでした。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・ハーフトーン写真乾板を露光し、アルファ粒子や陽子とは異なるように見える長く湾曲した電離飛跡を観測しました。ネイチャー誌に掲載された一連の論文で、彼らは平均質量が電子の200倍近くある宇宙粒子を特定しました。^{[ 9 ]}この発見は、1947年にイギリスのブリストル大学で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を用いて、アンデス山脈に置かれた写真フィルムに基づいてなされました。^{[ 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、ミュー中間子に崩壊するように見えたため、物理学者ロバート・マーシャクは1947年に、それは実際には新しい異なる中間子ではないかという仮説を立てました。その後数年間で、より多くの実験により、パイオンが実際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）内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用いられています。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用いられますが、その程度は低いです。パイ中間子の発見後、湯川はこれらの予測により1949年のノーベル物理学賞を受賞しました。

かつては、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」のような力の運搬体を意味するために使われることもあった。^{[ 11 ]}しかし、この用法は好まれなくなり、現在では中間子はクォークと反クォークの対からなる粒子として定義されている。

概要

スピン、軌道角運動量、全角運動量

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）ずつ変化するため 、単一のクォークは長さ⁠のスピンベクトルを持つ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のベクトルになり、3 つのスピン投影( S _z = +1、S _z = 0、およびS _z = −1)が可能であり、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のベクトルになり1 つのスピン投影( S _z = 0)のみになります。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、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には、軌道角運動量（量子数L ）と呼ばれる別の量があります。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 ħ単位で増分されます。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。J = | L − S |からJ = | L + S |まで、1単位で 任意の値を取ります。

L = 0, 1, 2, 3 における中間子角運動量量子数

S	L	P	J	JP^​
0	0	−	0	0 ^−
	1	+	1	1 ^+
	2	−	2	2 ^−
	3	+	3	3 ^+
1	0	−	1	1 ^−
	1	+	2, 0	2 ^+、 0 ^+
	2	−	3、1	3 ^−、 1 ^−
	3	+	4、2	4 ^+、2 ^+

素粒子物理学者は、軌道角運動量ゼロ（L  = 0）の中間子に最も関心を持っているため、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である。これらはJ  = 1とJ = 0 に対応する が、これらが唯一の中間子ではない。S  = 0とL = 1からJ  = 1粒子を得ることも可能である。S  = 1, L  = 0中間子と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 において活発な研究分野である。^{[ 12 ]}

Pパリティ

Pパリティは左右パリティ、あるいは空間パリティであり、発見されたいくつかの「パリティ」の中で最初に発見されたものなので、単に「パリティ」と呼ばれることが多い。もし宇宙が鏡に映っていたら、ほとんどの物理法則は同一になる。つまり、何を「左」と呼び、何を「右」と呼ぶかに関係なく、物事は同じように振る舞うだろう。この鏡映し出しの概念はパリティ（P）と呼ばれる。重力、電磁力、そして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わらず同じように振る舞うため、パリティ（P対称性）が保存されると言われている。しかし、弱い相互作用は「左」と「右」を区別し、パリティの破れ（P破れ）と呼ばれる現象が起こる。

これを踏まえると、各粒子の波動関数（より正確には、各粒子タイプの量子場）を同時に鏡映反転させれば、新しい波動関数のセットは物理法則（弱い相互作用を除く）を完全に満たすだろうと考える人もいるかもしれない。しかし、これは必ずしも正しくない。方程式を満たすためには、特定の粒子タイプの波動関数は鏡映反転に加え、-1 倍にする必要がある。このような粒子タイプは負または奇パリティ（P  = -1、あるいはP = -）を持つと言われ、他の粒子は正または偶パリティ（P  = +1、あるいはP  = +）  を持つと言われる。

中間子の場合、パリティは軌道角運動量と次の関係式で結びついている：^{[ 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は逆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、積は -1 となり、指数に現れる「+1」に寄与します。

結果として、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

Cパリティは、それ自身の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変化しない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、

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

すると中間子は「C奇数」（C  = −1）となる。

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多い。CPパリティは当初保存されると考えられていたが、後に弱い相互作用において稀に破れることがわかった。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Gパリティ

GパリティはCパリティの一般化である。クォークと反クォークを交換した後の波動関数を単純に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。

アイソスピンと電荷

J ^P = 0 ⁻構成におけるu、d、またはsクォーク 1 つとu、d、またはs反クォーク1 つの組み合わせは、ノネットを形成します。

J ^P = 1 ⁻構成におけるu、d、またはsクォーク 1つとu、d、またはs反クォーク 1 つの組み合わせもノネットを形成します。

オリジナルのアイソスピンモデル

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、強い相互作用下における陽子と中性子の類似性を説明するために用いられました。^{[ 20 ]}電荷は異なっていたものの、質量は非常に近似していたため、物理学者たちはこれらが実際には同一の粒子であると信じていました。電荷の違いは、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。アイソスピン射影はスピンと同様に1ずつ変化し、それぞれの射影には「荷電状態」が関連付けられています。「パイ中間子」は3つの「荷電状態」を持つため、アイソスピンI = 1であると言われました。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に対応します。もう一つの例は「ロー粒子」で、これも3つの荷電状態を持ちます。その「荷電状態」ρ⁺、ρ⁰、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。

クォークモデルによる置き換え

この信念は、1964年にマレー・ゲルマンがクォーク模型（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クォークの質量が近い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クォークの質量が近いため、同じ数のそれらからなる粒子も質量が近いのです。

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ているからです。 ⁠ ++2/3⁠  eクォークは電荷を帯びるのに対し、dクォークは電荷を帯びる⁠−+1/3⁠  e。例えば、3つのパイ中間子はすべて異なる電荷を持っています

• π⁺= ( u d )
• π⁰= ( u u ) 状態と( d d )状態の量子重ね合わせ
• π⁻= ( d u )

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）。140 MeV/ c ²）は、それぞれアップクォーク、ダウンクォーク、反クォークの総数が等しいため、アイソスピンモデルでは異なる荷電状態にある単一の粒子とみなされます。

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、ダウンクォーク、反クォークの数を表します。

「アイソスピン描像」では、3つのパイ中間子と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、クォーク模型では、ローはパイ中間子の励起状態です。アイソスピンは物事の描像を不正確に伝えるにもかかわらず、今でもハドロンの分類に用いられており、不自然でしばしば混乱を招く命名法につながっています。

中間子はハドロンであるため、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。

フレーバー量子数

ストレンジ ネス量子数S (スピンと混同しないこと) は、粒子の質量とともに増減することが観察された。質量が大きいほど、ストレンジネスは低く (負の値が大きく) なる (s クォークの数が増える)。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) で記述できる (uds ノネットの図を参照)。他のクォークが発見されるにつれて、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、u クォーク 1 個、d クォーク 1 個、その他の 1 個のクォークからなるノネットに対してのみ有効であり、その他のノネット (ucb ノネットなど) では機能しない。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ので、その動作は対称的と呼ばれるだろう。しかし、クォークは同じ質量を持っていないため、同じように相互作用しません（電界内に置かれた電子は、同じ電界内に置かれた陽子よりも質量が軽いため、より速く加速するのとまったく同じです）。そのため、対称性は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（I ₃）、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す。これらは、ストレンジクォーク、チャームクォーク、ボトムクォーク、トップクォーク、および反クォークの数と以下の関係式で結びついている。

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

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等しい。

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

分類

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）、そしてクォーク（q）含有量に基づいてグループに分類されます。分類規則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、簡潔にするために表形式で分類規則を示します。

中間子の種類

中間子はスピン配置に応じていくつかの種類に分類されます。特定の配置には、そのスピン配置の数学的性質に基づいて特別な名前が付けられます。

中間子の種類^{[ 25 ]}

タイプ	S	L	P	J	JP^​
擬スカラー中間子	0	0	−	0	0 ^−
擬ベクトル中間子	0、1	1	+	1	1 ^+
ベクトル中間子	1	0、2	−	1	1 ^−
スカラー中間子	1	1	+	0	0 ^+
テンソル中間子	1	1、3	+	2	2 ^+

命名法

フレーバーレス中間子

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からなる中間子である（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 ]}

フレーバーレス中間子の命名法

q qコンテンツ	私	J ^P C  [ ii ]
		0 ^−+、 2 ^−+、 4 ^−+、 ...	1 ^+−、 3 ^+−、 5 ^+−、 ...	1 ^−−、 2 ^−−、 3 ^−−、 ...	0 ^++、1 ^++、2 ^++、...
あなたあなた​​${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$	1	π^+π^0π^−	b ^+ b ^0 b ^−	ρ^+ρ^0ρ^−	a ^+ a ^0 a ^−
u u、dd d、s sの混合	0	η η′	h h ′	ω ϕ	f f ′
c c	0	ηc	h c	ψ [ iii ]	χ c
b b	0	ηb	h b	ϒ	χ b
t t	0	ηt	h t	θ	χ t

1. 命名法上、アイソスピン射影I ₃はフレーバー量子数ではないものとして扱われます。これは、荷電パイ中間子型中間子（ π ^±、 a ^±、 b ^±、 ρ ^±中間子）が、真に「フレーバーレス」ではないとしても、フレーバーレス中間子の規則に従うことを意味します。
2. Cパリティは中性中間子にのみ関連します。
3. 特別な場合J ^PC = 1 ⁻⁻の場合、ψはJ/ψと呼ばれる。

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

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からなる中間子です。この場合の規則はより単純です。主記号は重いクォーク、上付き文字は電荷、下付き文字（ある場合）は軽いクォークによって決まります。表形式では、以下のようになります。^{[ 24 ]}

フレーバー中間子の命名法

クォーク	反クォーク
	上	下	魅力	奇妙な	トップ	底
上	—該当なし	[私]	D^0	K^+	T^0	B^+
下	[私]	—該当なし	D^−	K^0	T^−	B^0
魅力	D^0	D^+	—該当なし	D^+s	T^0秒	B^+c
奇妙な	K^−	K^0	D^−秒	—該当なし	T^−秒	B^0秒
トップ	T^0	T^+	T^0秒	T^+s	—該当なし	T^+b
底	B^−	B^0	B^−c	B^0秒	T^−b	—該当なし

1. 命名法上、アイソスピン射影I ₃はフレーバー量子数ではないものとして扱われる。これは、荷電パイ中間子型中間子（ π ^±、a ^±、b ^±、ρ ^±中間子）が、真に「フレーバーレス」ではないとしても、フレーバーレス中間子の規則に従うことを意味する。

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。

エキゾチック中間子

ハドロン（すなわちクォークから構成される）であり、色中性で重粒子数がゼロである粒子の存在は実験的に証明されており、従来の定義では中間子とみなされます。しかし、これらの粒子は、上記で議論した他の従来の中間子とは異なり、単一のクォーク／反クォーク対から構成されていません。これらの粒子は、暫定的にエキゾチック中間子と呼ばれるカテゴリーに分類されています。

2つ以上の独立した実験によって存在が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ものは、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。

リスト

擬スカラー中間子

粒子名	粒子記号	反粒子記号	クォーク含有量	静止質量[ MeV / c^2 ]	IG^​	JPC^​​	S	C	B ′	平均寿命（秒）	一般的には（崩壊の5％以上） まで崩壊する
パイオン[ 27 ]	π^+	π^−	u d	139.570 18 ± 0.000 35	1 ^−	0 ^−	0	0	0	(2.6033 ± 0.0005) × 10 ^−8	μ^++ νμ
パイオン[ 28 ]	π^0	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$ ^[あ]	134.9766 ± 0.0006	1 ^−	0 ^−+	0	0	0	（8.4 ± 0.6）× 10 ^−17	γ + γ
エータ中間子[ 29 ]	η	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}-2s{\bar {s}}}{\sqrt {6}}} \,}$ ^[あ]	547.853 ± 0.024	0 ^+	0 ^−+	0	0	0	(5.0 ± 0.3) × 10 ^−19^[b]	γ + γまたはπ^0+ π^0+ π^0またはπ^++ π^0+ π^−
エータプライム中間子[ 30 ]	η′ (958)	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}+s{\bar {s}}}{\sqrt {3}}} \,}$ ^[あ]	957.66 ± 0.24	0 ^+	0 ^−+	0	0	0	(3.2 ± 0.2) × 10 ^−21^[b]	π^+ + π^−+ ηまたは( ρ^0+ γ ) / ( π^+ + π^−+ γ ) またはπ^0+ π^0+ η
チャームド・イータ中間子[ 31 ]	ηc（1S）	自己	c c	2 980 .3 ± 1.2	0 ^+	0 ^−+	0	0	0	(2.5 ± 0.3) × 10 ^−23^[b]	ηを参照c減衰モード
ボトムエータ中間子[ 32 ]	ηb（1S）	自己	b b	9300 ± 40	0 ^+	0 ^−+	0	0	0	未知	ηを参照b減衰モード
カオン[ 33 ]	K^+	K^−	私たち	493.677 ± 0.016	⁠1/2⁠	0 ^−	1	0	0	(1.2380 ± 0.0021) × 10 ^−8	μ^++ νμまたは π^++ π^0またはπ^++ π^++ π^−またはπ^0+ e^++ νe
カオン[ 34 ]	K^0	K^0	d s	497.614 ± 0.024	⁠1/2⁠	0 ^−	1	0	0	^[c]	^[c]
K-ショート[ 35 ]	K^0秒	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$ ^[e]	497.614 ± 0.024 ^[日]	⁠1/2⁠	0 ^−	（*）	0	0	(8.953 ± 0.005) × 10 ^−11	π^++ π^−またはπ^0+ π^0
K-Long [ 36 ]	K^0リットル	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} \,}$ ^[e]	497.614 ± 0.024 ^[日]	⁠1/2⁠	0 ^−	（*）	0	0	(5.116 ± 0.020) × 10 ^−8	π^±+ e^∓+ νeまたはπ^±+ μ^∓+ νμまたはπ^0+ π^0+ π^0またはπ^++ π^0+ π^−
D中間子[ 37 ]	D^+	D^−	CD​	1 869 .62 ± 0.20	⁠1/2⁠	0 ^−	0	+1	0	(1.040 ± 0.007) × 10 ^−12	Dを参照^+減衰モード
D中間子[ 38 ]	D^0	D^0	あなた​	1 864 .84 ± 0.17	⁠1/2⁠	0 ^−	0	+1	0	(4.101 ± 0.015) × 10 ^−13	Dを参照^0減衰モード
ストレンジD中間子[ 39 ]	D^+s	D^−秒	c s	1 968 .49 ± 0.34	0	0 ^−	+1	+1	0	（5.00 ± 0.07）× 10 ^−13	Dを参照^+s減衰モード
B中間子[ 40 ]	B^+	B^−	u b	5 279 .15 ± 0.31	⁠1/2⁠	0 ^−	0	0	+1	(1.638 ± 0.011) × 10 ^−12	Bを参照^+減衰モード
B中間子[ 41 ]	B^0	B^0	d b	5 279 .53 ± 33	⁠1/2⁠	0 ^−	0	0	+1	(1.530 ± 0.009) × 10 ^−12	Bを参照^0減衰モード
奇妙なB中間子[ 42 ]	B^0秒	B^0秒	s b	5 366 .3 ± 0.6	0	0 ^−	−1	0	+1	1.470+0.026 −0.027× 10 ^−12	Bを参照^0秒減衰モード
チャームドB中間子[ 43 ]	B^+c	B^−c	c b	6276 ± 4	0	0 ^−	0	+1	+1	（4.6 ± 0.7）× 10 ^−13	Bを参照^+c減衰モード

^[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、変換τ  =  ⁠ħ/Γ⁠が代わりに与えられる。 ^[c] ^強い固有状態。明確な寿命はない（以下のK中間子の注記を参照）^[d] ^ K の質量⁰_リットルとK⁰_秒Kのものとして与えられている⁰しかし、 Kの質量の差は、⁰_リットルとK⁰_秒程度2.2 × 10 ⁻¹¹  MeV/ c ²が存在する。^{[ 36 ] [e]} ^弱い固有状態。CP対称性を破る小さな項が欠けている（下記の中性K中間子に関する注記を参照）。

ベクトル中間子

粒子名	粒子記号	反粒子記号	クォーク含有量	静止質量( MeV / c^2 )	IG^​	JPC^​​	S	C	B'	平均寿命（秒）	一般的には（崩壊の5％以上） まで崩壊する
荷電ロー中間子[ 44 ]	ρ^+（770）	ρ^−（770）	u d	775.4 ± 0.4	1 ^+	1 ^−	0	0	0	〜4.5 × 10 ^−24^[f] [g]	π^±+ π^0
中性ロー中間子[ 44 ]	ρ^0（770）	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$	775.49 ± 0.34	1 ^+	1 ^−−	0	0	0	〜4.5 × 10 ^−24^[f] [g]	π^++ π^−
オメガ中間子[ 45 ]	ω (782)	自己	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$	782.65 ± 0.12	0 ^−	1 ^−−	0	0	0	(7.75 ± 0.07) × 10 ^−23^[f]	π^++ π^0+ π^−またはπ^0+ γ
ファイ中間子[ 46 ]	ϕ (1020)	自己	s s	1 019 .445 ± 0.020	0 ^−	1 ^−−	0	0	0	(1.55 ± 0.01) × 10 ^−22^[f]	K^++ K^−またはK^0秒+ K^0リットルまたは( ρ + π ) / ( π^++ π^0+ π^−）
J/Psi [ 47 ]	J/ψ	自己	c c	3 096 .916 ± 0.011	0 ^−	1 ^−−	0	0	0	(7.1 ± 0.2) × 10 ^−21^[f]	J/ψ (1S)崩壊モードを参照
ユプシロン中間子[ 48 ]	ϒ (1S)	自己	b b	9 460 .30 ± 0.26	0 ^−	1 ^−−	0	0	0	(1.22 ± 0.03) × 10 ^−20^[f]	ϒ (1S)崩壊モードを参照
カオン[ 49 ]	K^∗+	K^∗−	私たち	891.66 ± 0.026	⁠1/2⁠	1 ^−	1	0	0	〜1.3 × 10 ^−23^[f] [g]	求める​^∗（892）崩壊モード
カオン[ 49 ]	K^∗0	K^∗0	d s	896.00 ± 0.025	⁠1/2⁠	1 ^−	1	0	0	〜1.3 × 10 ^−23^[f]	求める​^∗（892）崩壊モード
D中間子[ 50 ]	D^∗+（2010年）	D^∗−（2010年）	CD​	2 010 .27 ± 0.17	⁠1/2⁠	1 ^−	0	+1	0	(6.9 ± 1.9) × 10 ^−21^[f]	D^0+ π^+またはD^++ π^0
D中間子[ 51 ]	D^∗0（2007年）	D^∗0（2007年）	あなた​	2 006 .97 ± 0.19	⁠1/2⁠	1 ^−	0	+1	0	>3.1 × 10 ^−22^[f]	D^0+ π^0またはD^0+ γ
ストレンジD中間子[ 52 ]	D^∗+s	D^∗−s	c s	2 112.3 ± 0.5​	0	1 ^−	+1	+1	0	>3.4 × 10 ^−22^[f]	D^∗++ γまたはD^∗++ π^0
B中間子[ 53 ]	B^∗+	B^∗−	u b	5 325 .1 ± 0.5	⁠1/2⁠	1 ^−	0	0	+1	未知	B^++ γ
B中間子[ 53 ]	B^∗0	B^∗0	d b	5 325 .1 ± 0.5	⁠1/2⁠	1 ^−	0	0	+1	未知	B^0+ γ
奇妙なB中間子[ 54 ]	B^∗0秒	B^∗0秒	s b	5 412 .8 ± 1.3	0	1 ^−	−1	0	+1	未知	B^0秒+ γ
チャームB中間子^†	B^∗+c	B^∗−c	c b	未知	0	1 ^−	0	+1	+1	未知	未知

^[f] ^ PDGは共鳴幅（Γ）を報告する。ここで、変換τ  =  ⁠ħ/Γ⁠が代わりに与えられます。 ^[g] ^ 正確な値は使用する方法によって異なります。詳細は参考文献を参照してください。

中性K中間子に関する注釈

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、K⁰_秒とK⁰_リットル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、それが粒子の崩壊の仕方を決定するため、一定の寿命を持つ粒子です。
• 表に示されているKの線形結合は、⁰_秒とK⁰_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中間子に対してのみ別個の粒子として扱われる。^{[ 55 ]}

参照

• 中間子分子
• 標準モデル

脚注

1. ħはスピンの「基本」単位であるため、しばしば省略されます。また、「スピン1」は「スピン1  ħ」を意味すると暗黙的に解釈されます。一部の自然単位系では、 ħは1とみなされるため、方程式から省略されます。本稿の残りの部分では、すべての種類のスピンに対して「 ħ単位を仮定する」という慣例を用います。

参考文献

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37. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – D^±
38. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – D⁰
39. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – D^±_秒
40. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – B^±
41. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – B⁰
42. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – B⁰_秒
43. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – B^± _c
44. C. アムスラーら。 (2008):粒子リスト – ρ
45. C. アムスラーら。 (2008):粒子リスト – ω (782)
46. C. アムスラーら。 (2008):粒子リスト – ϕ
47. C. アムスラーら。 (2008):粒子リスト – J/Ψ
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50. C. Amsler et al . (2008):粒子リスト – D^∗±（2010年）
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外部リンク

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• マイク・ペリコーネ（2006年9月25日）「フェルミ国立加速器研究所のCDF科学者らが公式発表：B-sub-s中間子の素早い変化を発見。この中間子は1秒間に3兆回、物質と反物質を切り替えている」（プレスリリース）。イリノイ州バタビア：フェルミ国立加速器研究所（フェルミ国立加速器研究所）。

さらに読む

• パウリ、ヴォルフガング（1948）『核力の中間子理論』インターサイエンス出版社、ニューヨーク