비 중간자

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1. 개요

B 중간자는 바닥 쿼크와 다른 쿼크의 조합으로 이루어진 중간자이다. 1983년 발견된 B 중간자는 여러 종류로 나뉘며, B⁺, B⁰, B⁰_s, B⁺_c 등이 있다. 중성 B 중간자는 자신의 반입자로 변환되었다가 다시 돌아오는 맛깔 진동 현상을 보이며, 이는 표준 모형의 예측 중 하나이다. B 중간자의 희귀 붕괴는 표준 모형 밖의 물리 과정을 탐구하는 데 사용되며, LHCb 실험을 통해 다양한 희귀 붕괴가 관찰되었다.

비 중간자

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중간자 - 입실론 중간자
입실론 중간자(Υ)는 바닥 쿼크(<math>\mathrm{b}</math>)와 그 반입자(<math>\mathrm{\overline{b}}</math>)로 이루어진 중성 하드론으로, 1977년 리언 레더먼에 의해 발견되어 3세대 쿼크의 존재 증명에 기여했으며, 입자 물리학 실험에서 B 중간자 연구에 활용된다.
중간자 - 벡터 보손
벡터 보손은 양자장론에서 스핀이 정수인 입자를 지칭하며, 질량을 가진 경우 세 가지 스핀 고유값을 갖고, W 보손과 Z 보손은 힉스 메커니즘으로 질량을 얻어 힉스 입자 생성에 중요한 역할을 한다.

1. 개요
2. 역사
3. B 중간자 목록
- 3.1. B 중간자의 종류
4. {{Subatomic particle|B0}}–{{Subatomic particle|AntiB0}} 진동
5. 희귀 붕괴

2. 역사

비 중간자는 1983년 코넬 대학교의 클레오(CLEO) 공동연구 팀에 의해 입실론 중간자의 붕괴 과정에서 처음 발견되었다. 같은 해 스탠퍼드 선형 가속기 센터의 Mark II 공동연구에서는 이 입자의 평균 수명을 측정하였다.

2008년에는 벨 연구소의 한미일 공동 연구진이 일본의 전자-양전자 충돌가속기를 이용한 실험을 통해 중요한 사실을 발견했다. 이 실험에서 B-중간자의 물질과 반물질이 붕괴하는 과정에서 서로 다른 비대칭성을 보인다는 점이 확인되었다.

3. B 중간자 목록

B 중간자는 1983년 코넬 대학교의 클레오(CLEO) 공동연구 팀이 입실론 중간자의 붕괴물을 분석하여 처음 발견하였다. 같은 해 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)의 Mark II 공동연구에서는 이 입자들의 평균 수명을 측정하는 데 성공했다.

B 중간자는 바닥 쿼크(b) 또는 바닥 반쿼크(b̅)와 다른 종류의 쿼크가 결합하여 만들어지는 중간자이다. 어떤 쿼크와 결합하는지, 그리고 전하, 아이소스핀, 스핀 및 패리티, 정지 질량, 기묘도, 매력, 바닥 쿼크수 등의 양자수에 따라 여러 종류로 나뉜다. 각 B 중간자는 고유한 평균 수명과 붕괴 모드를 가진다.

2008년에는 벨 연구소(Belle experiment)에서 활동하는 한국, 미국, 일본 공동 연구진이 일본의 KEK에 있는 전자-양전자 충돌 가속기(KEKB)를 이용하여 B 중간자의 물질과 반물질이 붕괴하는 과정을 관측하였다. 실험 결과, 물질 B 중간자와 반물질 B 중간자의 붕괴 과정에서 비대칭성이 나타나는 것을 확인하였다. 이는 우주에 반물질보다 물질이 더 많이 존재하는 이유를 설명하는 CP 대칭성 깨짐 현상과 관련된 중요한 발견으로 평가된다.

B 중간자의 구체적인 종류와 각각의 물리적 특성은 아래 하위 섹션에서 자세히 다룬다.

3.1. B 중간자의 종류

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좌우로 밀어서 보기

B 중간자
입자	기호	반- 입자	쿼크 구성	전하	아이소스핀 (I)	스핀 및 패리티 (J^P)	정지 질량 (MeV/c²)	S	C	B'	평균 수명 (s)	흔히 붕괴되는 것
전하를 띤 B 중간자	B⁺	B⁻	u b̅	+1	1/2	0⁻	5279.34 ± 0.12	0	0	+1	(1.638 ± 0.004) × 10⁻¹²	B^± 붕괴 모드
중성 B 중간자	B⁰	B̅⁰	d b̅	0	1/2	0⁻	5279.65 ± 0.12	0	0	+1	(1.519 ± 0.004) × 10⁻¹²	B⁰ 붕괴 모드
기묘 B 중간자	B⁰_s	B̅⁰_s	s b̅	0	0	0⁻	5366.88 ± 0.14	−1	0	+1	(1.515 ± 0.004) × 10⁻¹²	B⁰_s 붕괴 모드
매력 B 중간자	B⁺_c	B⁻_c	cb̅	+1	0	0⁻	6274.9 ± 0.8	0	+1	+1	(0.510 ± 0.009) × 10⁻¹²	B^±_c 붕괴 모드

4. {{Subatomic particle|B0}}–{{Subatomic particle|AntiB0}} 진동

중성 B 중간자인 B⁰와 B_s⁰는 스스로 자신의 반입자로 변환했다가 다시 원래 상태로 돌아오는 현상을 보인다. 이러한 현상을 맛깔 진동이라고 한다. 중성 B 중간자의 진동은 입자 물리학의 표준 모형에서 기본적으로 예측되는 현상이다. B⁰–B⁰ 시스템의 진동 주기는 약 0.496 / 피코초로 측정되었으며, B_s⁰–B_s⁰ 시스템의 진동 주기는 페르미 국립 가속기 연구소의 CDF 실험을 통해 Δm_s = 17.77 ± 0.10 (통계) ± 0.07 (계통) / 피코초로 측정되었다. 이 값의 하한 및 상한에 대한 첫 번째 추정은 페르미 국립 가속기 연구소의 DØ 실험에서도 이루어졌다.

2006년 9월 25일, 페르미 국립 가속기 연구소는 이전까지 이론으로만 존재했던 B_s⁰ 중간자 진동의 발견을 공식 발표했다. 페르미 국립 가속기 연구소의 보도 자료 내용은 다음과 같다.

이번 Run 2의 첫 번째 주요 발견은 바닥(1977) 및 꼭대기(1995) 쿼크가 발견된 페르미 국립 가속기 연구소의 입자 물리학 발견 전통을 이어갑니다. 놀랍게도, B_s⁰(발음은 "B sub s") 중간자의 기괴한 행동은 실제로 기본 입자 및 힘의 표준 모형에 의해 예측됩니다. 따라서 이러한 진동적 행동의 발견은 표준 모형의 내구성을 더욱 강화하는 것입니다...

CDF 물리학자들은 이전에 강한 핵 상호 작용으로 이상 반쿼크에 묶인 무거운 바닥 쿼크로 구성된 B_s⁰ 중간자의 물질-반물질 전이율을 측정했습니다. 이제 그들은 1000만 분의 5 미만(5/10,000,000 = 1/2,000,000)이어야 하는 허위 관측의 확률이 입자 물리학 분야에서 발견을 위한 표준에 도달했습니다. CDF의 결과에 대한 확률은 1억 분의 8(8/100,000,000 = 1/12,500,000)로 훨씬 더 작습니다.

시카고 트리뷴에 글을 쓴 로널드 코툴락은 이 입자가 "반물질의 유령 영역"과의 입증된 상호 작용으로 "새로운 물리학 시대를 열 수 있다"고 말했다.

2010년 5월 14일, 페르미 국립 가속기 연구소의 물리학자들은 진동이 반물질보다 1% 더 자주 물질로 붕괴되었으며, 이는 관측된 우주에서 물질이 반물질보다 풍부한 것을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 보고했다. 그러나, 더 큰 데이터 샘플을 사용한 LHCb의 최근 결과는 표준 모형에서 유의미한 편차를 보이지 않았다.

5. 희귀 붕괴

B 중간자는 양자 색역학을 탐구하는 중요한 도구이다. B 중간자의 다양한 희귀 붕괴 경로는 표준 모형을 넘어서는 물리학 과정에 민감하게 작용한다. 이러한 희귀 붕괴의 분기 비율을 측정하면 새로운 입자에 대한 제한을 설정하는 데 사용될 수 있다. LHCb 실험은 B_s → μ⁺μ⁻와 같은 희귀 붕괴를 관찰하고 탐색하였다.

2017년 2월 21일, LHCb 협업은 중성 B 중간자가 두 개의 반대 전하를 띤 카온으로 붕괴되는 희귀 현상이 5σ의 통계적 유의성을 가지고 관찰되었다고 발표했다.