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맵시 쿼크

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목차

1. 개요

맵시 쿼크는 셸던 글래쇼에 의해 명명된 소립자이며, 쿼크의 한 종류이다. 1964년 제임스 비요켄과 글래쇼는 "매력"이라는 양자수를 이론화했으며, 1970년 글래쇼, 존 일리오폴로스, 루치아노 마이아니는 맵시 쿼크의 존재를 예측했다. 1974년 브룩헤븐 국립 연구소와 스탠퍼드 선형 가속기 센터에서 J/ψ 중간자를 발견하면서 맵시 쿼크의 존재가 확인되었고, 1976년 D 중간자의 발견으로 더욱 명확해졌다. 맵시 쿼크는 두 번째 세대 위 타입 쿼크이며, +2/3의 전하와 +1의 맵시를 가진다. 맵시 쿼크를 포함하는 입자는 전자-양전자 충돌 또는 하드론 충돌을 통해 생성될 수 있으며, 약한 붕괴를 통해 다른 쿼크로 붕괴될 수 있다.

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맵시 쿼크
개요
맵시 쿼크
맵시 쿼크
종류기본 입자
분류페르미온
그룹쿼크
세대2세대
상호작용강한 상호작용, 전자기력, 약한 상호작용, 중력
반입자맵시 반쿼크 ()
이론화셸던 글래쇼, 존 일리오풀로스, 루치아노 마이아니 (1970년)
발견버턴 릭터 외. (SLAC) (1974년)
새뮤얼 차오 충 팅 외. (BNL) (1974년)
전하+ e
색전하있음
스핀 ħ
약한 아이소스핀LH: +, RH: 0
약한 초전하LH: +, RH: +
붕괴
붕괴 입자기묘 쿼크 (약 95%), 아래 쿼크 (약 5%)
관련 입자

2. 명칭

셸던 글래쇼는 맵시 쿼크가 "소립자 세계에 가져온 대칭성" 때문에 그 이름을 얻었으며, 당시 3-쿼크 이론에서 원치 않는 붕괴를 막는 "악을 막는 마법의 장치"라고도 불렀다고 밝혔다.[1] 맵시 쿼크는 학술적 및 비학술적 맥락 모두에서 "매력 쿼크"라고도 불리며,[2] 기호는 "c"이다.[3]

3. 역사

1961년 머리 겔만은 중입자와 중간자를 팔정도로 묶는 패턴을 도입했다. 1964년 겔만과 조지 츠바이크는 모든 강입자가 "쿼크"라는 기본 구성 요소로 이루어져 있다고 독립적으로 제안했다. 처음에는 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크만 제안되었으며, 이 쿼크들은 팔정도에 있는 모든 입자를 생성할 수 있었다. 1953년 겔만과 니시지마 가즈히코는 스트레인지니스라는 양자수를 설정하여 와 같은 스트레인지 입자 관련 과정을 설명했다.

1970년 셸던 글래쇼, 존 이오풀로스, 루치아노 마이아니는 맵시 쿼크의 존재를 예측했다. 당시에는 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크만 알려져 있었다. 이들은 뮤온, 뮤온 중성미자, 스트레인지 쿼크의 조합 관계가 전자, 전자 중성미자, 다운 쿼크, 업 쿼크 조합의 처음 3개 입자와 유사성이 있다는 점에 주목했다. 즉, 뒤의 조합에서 업 쿼크에 해당하는 쿼크가 앞의 조합에도 존재할 것이라고 예측하고, 그 쿼크를 '참(Charm)'이라고 명명했다.

1974년 새뮤얼 팅이 이끄는 브룩헤븐 국립 연구소(BNL)팀과 버턴 리히터가 이끄는 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)팀은 각각 독자적으로 J/ψ 중간자를 발견하여 맵시 쿼크의 존재를 확인했다. BNL팀은 새로운 입자를 J 중간자, SLAC팀은 ψ 중간자라고 명명했지만, 타협안으로 J/ψ 중간자가 채택되었다. 새뮤얼 팅과 버턴 리히터는 이 공로로 1976년 노벨 물리학상을 수상했다.

3. 1. 이론적 예측

1964년, 제임스 비요켄과 셸던 글래쇼는 새로운 양자수로서 "매력"을 이론화했다.[2] 당시에는 전자, 뮤온, 그리고 각 렙톤의 중성미자를 포함한 4개의 렙톤이 있었지만, 머리 겔만은 처음에는 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크의 3개 쿼크만 제안했다. 비요켄과 글래쇼는 렙톤과 쿼크 사이에 평행성을 확립하고자 했으며, 글래쇼에 따르면 이 추측은 "미학적 논증"에서 비롯되었다.

1970년, 글래쇼, 존 일리오폴로스, 루치아노 마이아니는 매력 양자수로 구별되는 새로운 쿼크를 제안했다.[3][4] 이들은 "매력 입자"의 존재를 예측하고, 실험적으로 어떻게 생성할 수 있는지 제안했으며, 매력 쿼크가 약력과 전자기력을 통합하는 GIM 메커니즘을 제공할 수 있다고 주장했다.

1974년 4월, 실험 중간자 분광학(EMS) 회의에서 글래쇼는 "매력: 발견을 기다리는 발명"이라는 제목의 논문을 발표했다. 글래쇼는 중성 전류가 존재할 가능성이 높기 때문에 특정 카오온 붕괴가 드문 현상을 설명하기 위해 네 번째 쿼크가 "매우 필요하다"고 주장하며, 매력 쿼크의 속성에 대한 몇 가지 예측을 했다.

GIM 메커니즘은 맵시 쿼크(c)를 포함시켜 가 두 개의 뮤온으로 붕괴되는 현상이 드문 이유를 설명한다.


1974년 메리 K. 가이아드와 벤자민 W. 리는 K과 K 상태 사이의 카오온 질량 분할에 자연성 논거를 적용하여 맵시 쿼크의 질량을 미만으로 추정했다.[1]

3. 2. 발견

1974년, 브룩헤븐 국립 연구소(BNL)의 새뮤얼 C. C. 팅 연구팀과 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)의 버튼 리히터 연구팀이 각각 독립적으로 J/ψ 중간자를 발견했다. BNL 연구팀은 새로운 입자를 J 중간자로 명명했고, SLAC 연구팀은 ψ 중간자로 명명했지만, 이름을 통일하기 위한 협의가 실패하여 타협안으로 J/ψ 중간자가 채택되었다. 새뮤얼 팅과 버튼 리히터는 J/ψ 중간자의 발견으로 1976년 노벨 물리학상을 수상했다.

3. 3. J/ψ 중간자 발견 이후

1974년 새뮤얼 C. C. 팅과 버튼 리히터 연구팀은 각각 J/ψ 중간자를 발견했다. J/ψ 중간자는 맵시 쿼크와 맵시 반쿼크로 구성된 입자로, 팅은 이 입자를 "J"로, 리히터는 "psi"로 명명했다. 두 발견은 1974년 12월 2일 ''물리 검토 편지(Physical Review Letters)''에 게재되었고, 1976년 팅과 리히터는 노벨 물리학상을 공동 수상했다.[11]

이론가들은 새로운 입자를 즉시 분석하여 10−20초 규모의 수명을 가진다는 것을 알아냈다. 토머스 애플키스트와 데이비드 폴리처는 이 입자가 맵시 쿼크와 맵시 반쿼크로 구성되어 있으며, 이들의 스핀이 평행하게 정렬되어 있다고 제안하고 "참모니엄"이라고 명명했다.

1975년, E. G. 카졸리 등은 맵시 중입자에 대한 증거를 발표했다. 1977년에는 맵시 기묘 중간자가 발견되었다. 2002년, 페르미 연구소의 SELEX 공동 연구팀은 이중 맵시 중입자(Ξcc++)의 첫 번째 관측 결과를 발표했다. 2007년, BaBar 실험과 Belle 실험 공동 연구팀은 각각 두 개의 중성 맵시 중간자(D⁰ 및 antiD⁰)의 혼합에 대한 증거를 보고했다. 2022년, NNPDF 공동 연구팀은 양성자 내에 내재적인 맵시 쿼크의 존재에 대한 증거를 발견했고, ATLAS 검출기를 사용하여 힉스 보손이 맵시 쿼크로 붕괴되는 것을 직접 탐색했다.

4. 맵시 쿼크를 포함하는 강입자


  • D 중간자는 맵시 쿼크(혹은 그 반입자)와 위 쿼크 또는 아래 쿼크를 포함한다.
  • Ds 중간자는 맵시 쿼크와 기묘 쿼크를 포함한다.
  • J/ψ 중간자와 같이 맵시 쿼크와 반맵시 쿼크 쌍을 갖는 중간자는 차모늄이라고 불린다.
  • 맵시 중입자는 기묘 중입자와 대응되도록 명명되었다. (예: Λc+)

5. 특징

맵시 쿼크는 2세대 위 타입 쿼크로, +1의 맵시 양자수를 갖는다.[1] 맵시 쿼크의 질량은 약 이며,[2] 전하는 +''e''이다.[3] 맵시 쿼크는 기묘 쿼크보다 질량이 크며, 둘 사이의 질량 비율은 약 이다.[4]

CKM 행렬은 쿼크의 약한 상호작용을 설명한다.[5] 2022년 현재, 맵시 쿼크와 관련된 CKM 행렬의 값은 다음과 같다.[6]

값설명
>V_\text{cd}|0.221 \pm 0.004
>V_\text{cs}|0.975 \pm 0.006
>V_\text{cb}|(40.8 \pm 1.4) \times 10^{-3}



스핀 1/2를 가진 위, 아래, 기묘, 맵시 쿼크를 포함하는 초다중항


맵시 쿼크는 하나 또는 여러 개의 맵시 쿼크를 포함하는 "열린 맵시 입자" 또는 맵시 쿼크와 반맵시 쿼크의 결합 상태인 차모늄 상태로 존재할 수 있다.[7] D 중간자를 포함한 여러 개의 맵시 중간자가 있다.[8] 맵시 바리온에는 다양한 전하와 공명을 가진 맵시 람다(Λ), 맵시 시그마(Σ), 맵시 시(Ξ), 맵시 오메가(Ω)가 있다.[9]

1970년 셸던 글래쇼, 존 일리오풀로스, 루차노 마이아니는 여러 현상을 통일적으로 설명하기 위해 맵시 쿼크의 존재를 예측했다. 당시에는 업 쿼크, 다운 쿼크, 기묘 쿼크만 알려져 있었다. 이들은 뮤온, 뮤온 중성미자, 기묘 쿼크의 조합 관계가 전자, 전자 중성미자, 다운 쿼크, 업 쿼크의 조합과 유사하다는 점에 착안하여, 새로운 쿼크의 존재를 제안했다. 이 쿼크는 실제로 존재한다면 매력적일 것이라는 의미에서 '참(Charm)'이라고 이름 붙여졌다.

1974년 새뮤얼 팅이 이끄는 브룩헤븐 국립 연구소(BNL)팀과 버턴 리히터가 이끄는 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)팀이 각각 맵시 쿼크와 반맵시 쿼크로 구성된 J/ψ 중간자를 발견하면서 맵시 쿼크의 존재가 확인되었다. 두 연구팀은 새로운 입자에 각각 J 중간자, ψ 중간자라는 이름을 붙였으나, 합의에 이르지 못하고 J/ψ 중간자라는 이름으로 채택되었다. 새뮤얼 팅과 버턴 리히터는 이 공로로 1976년 노벨 물리학상을 수상했다.

5. 1. 생성과 붕괴

맵시 쿼크를 포함하는 입자는 전자(e)-양전자 충돌 또는 강입자(하드론) 충돌을 통해 생성될 수 있다.[1] 전자-양전자 충돌기는 다양한 에너지를 사용하여 프시 또는 웁실론 메손을 생성할 수 있다.[1] 강입자 충돌기는 더 높은 단면적에서 맵시 쿼크를 포함하는 입자를 생성한다.[2] W 보손은 맵시 쿼크 또는 반맵시 쿼크를 포함하는 강입자로 붕괴될 수 있다.[3] Z 보손은 맵시 쿼크 분열을 통해 차모늄(참onium)으로 붕괴될 수 있다.[4] 힉스 보손은 같은 메커니즘을 통해 또는 참 에타 중간자로 붕괴될 수 있다. 힉스 보손의 차모늄으로의 붕괴율은 "맵시 쿼크 유카와 결합에 의해 지배된다."[5]

맵시 쿼크는 약한 붕괴를 통해 다른 쿼크로 붕괴될 수 있다.[1] 또한 맵시 쿼크는 바닥 상태 차모늄 중간자의 붕괴 과정에서 반맵시 쿼크와 소멸한다.[1]

참조

[1] 논문 Naturally speaking: the naturalness criterion and physics at the LHC 2008
[2] 웹사이트 PDGLive Particle Summary 'Quarks (u, d, s, c, b, t, b', t', Free)' http://pdg.lbl.gov/2[...] Particle Data Group 2010-08-11
[3] 웹사이트 Transformation of Quark Flavors by the Weak Interaction http://hyperphysics.[...] 2010-12-06
[4] 간행물 Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix http://pdg.lbl.gov/2[...]
[5] 웹인용 PDGLive Particle Summary 'Quarks (u, d, s, c, b, t, b′, t′, Free)' http://pdg.lbl.gov/2[...] Particle Data Group 2011-08-08
[6] 웹인용 Transformation of Quark Flavors by the Weak Interaction http://hyperphysics.[...] 2010-12-06
[7] 저널 Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix http://pdg.lbl.gov/2[...]
[8] 저널 Elementary particles and SU(4)
[9] 저널 Weak Interactions with Lepton–Hadron Symmetry
[10] 저널 Discovery of a Narrow Resonance in ''e''+''e''− Annihilation
[11] 저널 Experimental Observation of a Heavy Particle ''J''


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