양성자

3. 성질

양성자는 스핀-½ 페르미온이며, 세 개의 원자가 쿼크^[45]로 구성되어 있으므로 바리온(하드론의 일종)이다.^[28] 현대적인 관점에서 양성자는 원자가 쿼크(위, 위, 아래), 글루온, 그리고 일시적인 바다 쿼크 쌍으로 구성된다. 양성자는 약 0.8 fm의 제곱 평균 제곱근 전하 반지름을 갖는, 대략 지수적으로 감쇠하는 양의 전하 분포를 갖는다.^[29]

양성자와 중성자는 모두 핵자이며, 핵력에 의해 결합되어 원자핵을 형성할 수 있다. 가장 일반적인 수소 원자의 동위원소(화학 기호 "H")의 핵은 단독 양성자이다. 중수소와 삼중수소와 같은 무거운 수소 동위원소의 핵은 각각 하나와 두 개의 중성자에 결합된 하나의 양성자를 포함한다. 다른 모든 유형의 원자핵은 두 개 이상의 양성자와 다양한 수의 중성자로 구성된다.

쿼크의 발견으로, 양성자가 기본 입자가 아니라 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크가 강한 상호작용으로 묶인 복합 입자임이 밝혀졌다. 하이젠베르크가 제안한 아이소스핀 1/2을 가지며, 같은 핵자인 중성자와 쌍을 이룬다.

양자색역학에 따르면, 양성자와 중성자 질량의 대부분은 특수 상대성이론으로 설명된다.^[59] 양성자의 질량은 세 개의 원자가 쿼크의 정지 질량의 합보다 약 80~100배 더 크며, 글루온은 정지 질량이 0이다.^[59] 양성자 내 쿼크와 글루온의 추가 에너지는 양성자 질량의 거의 99%를 차지한다.^[59] 따라서 양성자의 정지 질량은 입자를 구성하는 움직이는 쿼크와 글루온계의 불변 질량이며, 이러한 계에서는 시스템에 국한된 무질량 입자의 에너지조차도 시스템의 정지 질량의 일부로 측정된다(질량-에너지 등가성).^[59]

양성자를 구성하는 쿼크의 질량을 언급할 때 '전류 쿼크 질량'과 '구성 쿼크 질량' 두 가지 용어가 사용된다.^[59][33] '전류 쿼크 질량'은 쿼크 자체의 질량을 나타내는 반면, '구성 쿼크 질량'은 전류 쿼크 질량과 쿼크를 둘러싼 글루온 양자장이론 입자장의 질량을 합한 것이다.^[59][33] 이러한 질량 값은 일반적으로 매우 다르다.^[59][33] 가둠의 결과로 나타나는 쿼크의 운동 에너지도 기여한다 (특수 상대성이론에서의 질량 참조).^[59] 격자 QCD 계산에 따르면, 양성자 질량에 대한 기여는 쿼크 응축(~9%), 쿼크 운동 에너지(~32%), 글루온 운동 에너지(~37%), 그리고 이상 글루온 기여(~23%)이다.^[17]

양성자의 내부 역학은 쿼크가 글루온을 교환하고 다양한 진공 응축물과 상호 작용하기 때문에 복잡하다.^[63][34] 격자 QCD는 이론으로부터 양성자의 질량을 임의의 정확도로 직접 계산하는 방법을 제공한다.^[63][34] 최근 계산은 질량이 4% 미만의 정확도로 결정되었다고 주장하지만,^[63][34] 이러한 주장은 여전히 논란의 여지가 있다.^[35]

양성자 구조에 대한 보다 개념적인 접근 방식으로는 위상 솔리톤 접근 방식, AdS/QCD 접근 방식,^[64] 가방 모형과 구성 쿼크 모형, SVZ 합 규칙 등이 있다.^[65]

3. 1. 구성 쿼크

4. 안정성

표준 모형에서는 양성자가 안정적인 입자로 간주되지만, 일부 대통일 이론(GUT)은 양성자가 10³¹년에서 10³⁶년 사이의 수명으로 붕괴한다고 예측한다.^[54][55][56] 자유 양성자의 자발적 붕괴는 관측된 적이 없다.

일본의 슈퍼 가미오칸데 검출기에서 수행된 실험은 반뮤온과 중성 파이온으로의 붕괴에 대해 6.6 x 10³³년의 양성자 평균 수명에 대한 하한값을, 양전자와 중성 파이온으로의 붕괴에 대해 8.2 x 10³³년의 하한값을 제시했다.^[57] 캐나다의 서드베리 중성미자 관측소에서 수행된 또 다른 실험은 산소-16의 양성자 붕괴로 인한 잔류 핵에서 발생하는 감마선을 탐색했다. 이 실험은 모든 생성물로의 붕괴를 감지하도록 설계되었으며, 양성자 수명에 대한 하한값을 2.1 x 10²⁹년으로 설정했다.^[58]

하지만 양성자는 전자 포획(역 베타 붕괴라고도 함) 과정을 통해 중성자로 변환되는 것으로 알려져 있다. 자유 양성자의 경우 이 과정은 자발적으로 발생하지 않고 에너지가 공급될 때만 발생한다. 방정식은 다음과 같다.

: + → +

이 과정은 가역적이다. 중성자는 베타 붕괴(방사성 붕괴의 일반적인 형태)를 통해 양성자로 다시 전환될 수 있다. 사실, 자유 중성자는 이러한 방식으로 붕괴되며, 평균 수명은 약 15분이다. 양성자는 베타 플러스 붕괴(β+ 붕괴)를 통해 중성자로 변환될 수도 있다.

양자장 이론에 따르면, 양성자의 평균 고유 수명 $\backslash tau\_\backslash mathrm\{p\}$는 고유 가속도 $a$로 가속될 때 유한해지며, $\backslash tau\_\backslash mathrm\{p\}$는 $a$가 증가함에 따라 감소한다. 가속은 전이 → + + }}에 대한 영이 아닌 확률을 발생시킨다. 이는 1990년대 후반에 $\backslash tau\_\backslash mathrm\{p\}$가 관성 및 공가속 관측자에 의해 측정될 수 있는 스칼라이기 때문에 문제가 되었다. 관성 기준계에서 가속되는 양성자는 위 공식에 따라 붕괴되어야 한다. 그러나 공가속 관측자에 따르면 양성자는 정지해 있으므로 붕괴되어서는 안 된다. 이 수수께끼는 공가속 기준계에서 풀링-데이비스-온루 효과로 인한 열욕이 존재한다는 것을 깨달음으로써 해결된다. 이것은 양자장 이론의 고유한 효과이다. 양성자에 의해 경험되는 이 열욕에는 다음 과정에 따라 양성자와 상호 작용할 수 있는 전자와 반중성미자가 있다.

# + → + }},

# + → + }} 및

# + + → }}.

이러한 각 과정의 기여를 더하면 $\backslash tau\_\backslash mathrm\{p\}$를 얻어야 한다.^{[13][14][15][16]}

4. 1. 양성자 붕괴 실험

• $\backslash mathrm\{p\}\backslash to\; \backslash mathrm\{e\}^+\; +\; \backslash pi^0$ (양전자와 중성 파이온)
• $\backslash mathrm\{p\}\backslash to\; \backslash bar\{\backslash nu\}\; +\; K^+$ (반중성미자와 양 K 중간자)

5. 역사

1815년 초, 윌리엄 프라우트는 모든 원자가 수소 원자로 구성되어 있다고 제안했으나, 더 정확한 원자량 값이 측정되면서 이 가설은 반증되었다. (프라우트의 가설 참조)^[30]

6. 화학에서의 양성자

화학에서 원자의 핵 속 양성자 수는 원자 번호라고 하며, 이는 원자가 속한 화학 원소를 결정한다. 예를 들어 염소의 원자 번호는 17이며, 이는 각 염소 원자가 17개의 양성자를 가지고 있고, 17개의 양성자를 가진 모든 원자는 염소 원자임을 의미한다. 각 원자의 화학적 성질은 (음전하를 띤) 전자의 수에 의해 결정되는데, 중성 원자의 경우 총 전하가 0이 되도록 (양전하를 띤) 양성자의 수와 같다.

7. 핵물리학에서의 양성자

양성자는 핵자로서 중성자와 함께 원자핵을 구성하는 기본 입자로 다루어진다. 양성자는 핵력에 의해 중성자와 결합하여 핵을 형성한다. 핵 모형, 핵 안정성, 방사성 붕괴, 핵분열, 핵융합 등 핵물리학의 다양한 연구 분야에서 중요한 역할을 한다.

7. 1. 핵반응

8. 고에너지 핵물리학

9. 양성자와 관련된 기타 내용

9. 1. 양성자 치료

9. 2. 우주에서의 양성자

9. 3. 반양성자

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