소립자(素粒子) 중 스핀이정수(整數)이고 강한 상호작용을 하는 입자. 대표적인 것은 일본의 유카와 히데키(湯川秀樹)가 그 존재를 예언한 π(파이) 중간자이며, +1, -1, 0의 전하(電荷)를 가진 3종류가 있다.

이처럼 전하가 다른 중간자는 100종류 가까이 발견되어 있다.

소립자는 물질의 가장 기본적인 구성요소로 생각되어 왔는데, 그 중 강한 상호작용을 하는(전기적인 힘의 100배 정도로 강한 힘을 서로 미치는) 것은 강입자족(族)이라 불리며, 소립자의 대다수를 차지한다.

강입자는 다시 스핀(플랑크 상수를 h라 하고, =h/2 π를 단위로 하는 자전〈自轉〉의 각운동량의 크기)이 반(半)정수인 중입자(重粒子 ; 대표적인 것은 양성자와 중성자)와 스핀이 정수인 중간자로 분류된다.

〔유카와의 이론〕 유카와의 중간자론은 1935년에 발표되고, 49년 노벨 물리학상을 받았다.

전자와 함께 원자를 구성하는 원자핵이 양성자와 중성자(핵자라총칭)로 이루어져 있다는 것은 이미 32년에 밝혀져 있었다.

그런데 핵자를 결합시켜 원자핵을 이루는 새로운 힘, 곧 핵력(核力)은 하전입자 사이에 작용하는 쿨롱의 힘과 비교하면 세기가 100배 정도 크며, 원자핵 크기(10~l0cm) 정도의 짧은 거리에서만 작용하는 특정을 가지므로. 그 본성은 당시 전혀 알려져 있지 않았다.

유카와는 핵력이 U입자라는 미지의 입자가 핵자 사이에서 교환됨으로써 생기는 것으로 보았다.

U입자가 거리 r만큼 떨어진 2개의 핵자 사이에서 교환되면, 핵력의 위치에너지는 기본적으로

라는 형태로 나타난다.

c는 빛의 속도, m은 U입자의 질량으로 /mc=로 놓고, 원자핵의 크기로부터 ~2×10cm라 하면, U입자의 질량에너지는 mc~100MeV이다.

즉, U입자는 전자와 핵자의「중간」의 질량을 갖는 것이 된다.

g는 U입자와 핵자의 상호작용의 세기를 나타내는 결합상수로, 핵력이 강하므로 g/c은 큰 값을 가진다(강한 상호작용).

유차와는 핵자가 방출하는 U입자가 전자와 중성미자(中性微子 ; 뉴트리노)로 붕괴되는 것으로 생각하고, 원자핵의 붕괴까지도 설명하려고 했다.

이러한 점에서 유차와 이론은 자연계의 여러 힘을 통일적으로 다루려는 소립자 물리학의 통일이론에서 선구적이었다.

37년 우주선(宇宙線) 속에서 발견된 mc~100MeV의 입자가 유차와 이론과는 달리 원자핵과 강한 상호작용을 하지 않는다는 데서, 일본의 사카타 쇼이치(坂田昌一) 등은 이 μ입자를 U입자와는 다른 입자로 보고, 2종류의 중간자가 존재하는 것으로 생각했다(2중간자론, 1942년).

핵력을 매개하는 π 중간자(파이온)는 47년 우주선 속에서 발견되었으며, 다음해에 가속장치에 의해 인공적으로 생성되었다.

π중간자는 mc140MeV로 중간자 중 가장 질량이 작다.

μ입자(뮤온)는 스핀이 1/2이므로, 중간자로는 분류하지 않고, 전자나 중성미자와 함께 경입자(輕粒子)로 분류한다.

〔중간자의 구조〕 중간자는 스핀 1/2인 입자 쿼크 q와 그 반입자(反粒子)인 반쿼크 가 결합한 상태이다.

쿼크, 반쿼크 및 이들 사이에서 교환되어 힘을 매개하는 글루온은「색전하(色電荷)」라 불리는 양자수(量子數)를 가지며, 색전하에 의한 힘의 성질에서 중간자(일반적으로는 강입자)의 내부에 갇혀 있다고 생각된다.

100종류나 되는 중간자의 모든 성질은 그것들이 q와 의 결합계(結合系)라는 것에서 이해될 수 있다.

예컨대 3종류의 π중간자 π, π, π (오른쪽 위는 전하 를 나타낸다)는 스핀 J와 패리티(반전성〈反轉生〉) P가 공통(J=0)이고, 〈표 1〉에서 볼 수 있듯이 질량도 대략 같다.

여기서 패리티 P란, 공간좌표를 반전시킬 때(오른쪽계를 왼쪽계로, 또는 그 반대로 바꿀 때), 그 입자의 파동함수(波動函數)에 붙는 부호를 가리킨다.

이와 같이 전하(電荷)만 다르고, 다른 성질은 공통인 중간자를 아이소 다중항(多重項)이라 부르는데, 정수 또는 반정수의 아이소스핀 I를 부여하고, 전하 는 I+S/2에서부터 1씩더해 -I+S/2에 이르는 (2I+1)개의 값을 가진다.

정수 S를 스트레인지니스(기묘도〈奇妙度〉) 양자수라 부른다(겔만-나카노-니시지마의 규칙).

〈표 1〉에서 질량이 가장 작은 중간자의 1군(群)은 S=0인 아이 소3중항 π,S=1인 아이소2중항K,S=-1인 아이소 2중항 , S=0인 아이소 1중항 인데, 이들 8개의 중간자는 J=0 가 공통이고, 질량도 거의 같으므로, 유니터리 8중항을 이룬다고 한다.

〈표 2〉는 이것에 이어 질량이 작은 J=1인 유니터리 9중항 중간자를 나타낸다.

〈표 1〉과 〈표 2〉의 중간자는 질량이 작은 3종류의 쿼크 u, d 또는 s와 그 반쿼크 , 또는 가, 궤도각운동량(軌道角運動量)의 크기가 0인 바닥상태에서 스핀 반평행(半平行)  또는 평행으로 결합한 계(系)이다.

이와 같이 계통적으로 많은 중간자가 존재하는 것은 그것들이 q와 의 결합계라는 구조를 갖기 때문이며, J, , I, S등의 양자수, 다중 항의 형성, 질량 · 수명이나 다종다양한 붕괴양식 등도 이 구조로 이해된다.

1970년대에 들어 참(charm) 양자수 C를 가지며 질량이 큰 쿼크 c와 , 또는 로 이루어지는 중간자(〈표 3〉의 D와 F), c와 그 반입자 의 결합계(〈표 3〉의 에서부터 ), 또한 질량이 큰 쿼크 b와 의 결합계로 보이는 중간지(〈표 3〉의 ) 등이 발견되었다.

중간자는 앞으로도 더욱 많이 발견될 것으로 기대된다.

π중간자가 원자핵에 흡수되면, 그 질량에너지가 방출되어 원자핵은 많은 파편으로 파괴된다.

이 기구(機構)를 이용해 암세포(癌細胞)를 파괴하는 의료에의 응용 가능성이 연구되고 있다.