델타 중입자
1. 개요
델타 중입자는 업 쿼크(u)와 다운 쿼크(d)로 구성된 중입자로, 네 종류(Δ++, Δ+, Δ0, Δ-)가 존재하며 각기 다른 전하를 띤다. 약 1232 MeV/c²의 질량과 아이소스핀 3/2, 스핀 3/2을 갖는다. 델타 중입자는 1950년대 중반, 사이클로트론과 싱크로사이클로트론에서 가속된 파이온을 수소 표적에 충돌시키는 실험을 통해 발견되었으며, 쿼크 모형 발전에 중요한 단서를 제공했다. 델타 중입자는 강한 상호작용을 통해 핵자와 파이 중간자로 붕괴한다.
| symbol: Δ | |
| 종류 | 아원자 입자 |
|---|---|
| 분류 | 중입자 |
| 아원자 구성 | 위 쿼크위 쿼크위 쿼크 (Δ++) |
| 위 쿼크위 쿼크아래 쿼크 (Δ+) | |
| 위 쿼크아래 쿼크아래 쿼크 (Δ0) | |
| 아래 쿼크아래 쿼크아래 쿼크 (Δ−) | |
| 상호작용 | 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용, 중력 |
| 통계 | 페르미온 |
| 질량 | 1232 MeV/c² |
|---|---|
| 스핀 | 3/2, 5/2, 7/2 ... |
| 아이소스핀 | 3/2 |
| 기묘도 | 0 |
| 맵시 | 0 |
| 바닥ness | 0 |
| 꼭대기ness | 0 |
| 중입자 수 | 1 |
| 구성 입자 | 쿼크 3개 |
|---|---|
| 전하 | +2e (Δ++) +1e (Δ+) 0e (Δ0) −1e (Δ−) |
| 아이소스핀 사영 | +3/2 (Δ++) +1/2 (Δ+) −1/2 (Δ0) −3/2 (Δ−) |
| 붕괴 생성물 | 핵자 + 파이온 |
| 발견 | 1950년대 초 |
2. 성질
델타 중입자(Δ)는 네 가지 종류로, Δ++ (uuu), Δ+ (uud), Δ0 (udd), Δ- (ddd)가 있으며, 각각 +2, +1, 0, -1의 전하를 띤다. 델타 중입자는 약 1232MeV/c2의 질량을 가지며, 아이소스핀은 3/2, 스핀은 3/2이다. 일반적인 핵자(N, 양성자 또는 중성자)는 약 939MeV/c2의 질량을 가지며, 아이소스핀과 스핀은 모두 1/2이다.
Δ+ (uud)와 Δ0 (udd)는 각각 양성자(uud)와 중성자(udd)의 들뜬 상태로 볼 수 있다. 하지만 Δ++ (uuu)와 Δ- (ddd)는 직접 대응되는 핵자가 없다. 예를 들어 Δ- (ddd)는 전하와 질량이 비슷하지만, 반양성자와는 관련이 없다.
델타 상태는 양성자와 중성자의 가장 낮은 질량의 양자 여기 상태일 뿐이다. 더 높은 스핀에서는 3/2, 5/2, 7/2, ..., 11/2에 ħ를 곱한 스핀을 가지는 더 높은 질량의 델타 상태가 나타나며, 이들은 모두 3/2 또는 1/2의 아이소스핀을 가진다.
또한, 해당 반쿼크로 구성된 반대 전하를 가진 반입자 델타 상태도 존재한다.
스핀이 3/2라는 것은 델타 입자를 구성하는 세 개의 쿼크가 모두 같은 방향을 향하고 있다는 것을 의미한다. 이는 3개 중 1개가 반대 방향을 향하고 있는 핵자와는 다른 점이다. 이 스핀 배열은 아이소스핀 양자수 3/2에 의해 보완되며, Δ+, Δ0를 1/2의 아이소스핀을 갖는 핵자와 구별한다.
델타 입자 패밀리는 업 쿼크와 다운 쿼크의 전하를 더한 값으로 결정되는, 전하가 다른 네 개의 입자로 구성된다. 또한 전하가 반대인 반쿼크로 구성된 네 종류의 반입자도 존재한다. +2의 전하를 갖는 Δ++의 존재는 쿼크 모형의 발전에 결정적인 단서가 되었다.
3. 발견
델타 중입자는 1950년대 중반, 시카고 대학교의 사이클로트론과 카네기 기술 연구소의 싱크로사이클로트론에서 가속된 양의 파이온을 수소 표적에 충돌시키는 실험을 통해 발견되었다. 특히 전하가 +2e인 Δ++ 입자의 존재는 쿼크 모델의 발전에 중요한 단서가 되었다.
4. 생성과 붕괴
델타 중입자는 광자, 전자, 중성미자, 파이온 등의 에너지가 충분한 입자가 양성자나 중성자에 충돌하거나, 에너지가 충분한 핵자 쌍이 충돌할 때 생성된다. 생성된 델타 중입자는 강한 상호작용을 통해 매우 짧은 시간 안에 핵자(양성자 또는 중성자)와 파이온으로 붕괴한다. 붕괴 후 입자의 전하는 아이소스핀 결합에 의해 결정된다. 드물게 Δ+는 양성자와 광자로, Δ0은 중성자와 광자로 붕괴하기도 한다.
4.1. 붕괴 모드
Δ 중입자는 모두 질량이 1232 MeV 정도로 강력을 통해 핵자(양성자나 중성자)와 적절한 전하를 가진 파이온으로 붕괴한다. 가능한 마지막 전하 상태의 상대적인 확률은 그 상대적인 아이소스핀 결합 상수에 의해 주어진다. 더 드물고 더 느리게 Δ+는 양성자와 광자로 붕괴하고 Δ0는 중성자와 광자로 붕괴한다.
모든 종류의 델타 입자는 강한 상호작용에 의해 핵자와 파이 중간자로 붕괴한다. 최종 전하는 아이소스핀 결합에 의해 결정된다. 낮은 확률로 시간을 들여 Δ+는 양성자와 광자, Δ0은 중성자와 광자로 붕괴될 수 있다.