양성자

1. 개요

양성자는 양(+) 전하를 띠는 기본 입자로, 원자핵을 구성하는 핵자 중 하나이다. 세 개의 쿼크(위, 위, 아래)와 글루온, 그리고 일시적인 바다 쿼크 쌍으로 구성된 바리온의 일종이다. 전하량은 기본전하와 크기가 같고, 질량은 전자의 약 1836배이다. 양성자는 수소 원자핵으로, 화학에서 수소 이온(H+)을 의미하며, 브뢴스테드-로우리 산-염기 이론에서 양성자 주개로 정의된다. 표준 모형에서는 안정적인 입자로 간주되나, 일부 대통일 이론에서는 붕괴 가능성을 예측한다. 우주선, 태양풍, 우주 여행에서의 방사선 문제 등과 관련하여 연구가 진행되고 있으며, 반양성자와의 성질 비교를 통해 CPT 대칭성을 검증하는 데 활용된다.

2. 제원

2.1. 전하

양성자의 전하는 양(+)이며, 기본전하와 크기가 같다. 2018년 CODATA 권장 값은 +1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ C (정확)이다.

2.2. 질량

양성자의 질량 m_p은 1.672 621 923 69(51)×10^-27 kg = 938.272 088 16(29) MeV/c²이다(2018 CODATA 권장값). 전자의 질량 m_e에 대한 비는 1836.152 673 43(11)이다(2018 CODATA 권장값).

양성자의 비전하는 9.578 833 1560(29)×10⁷ C kg^-1이다(2018 CODATA 권장값).

2.3. 비전하

2.4. 콤프턴 파장

양성자의 콤프턴 파장 $\backslash lambda\_\backslash text\{p\}$는 다음과 같다.

$\backslash lambda\_\backslash text\{p\}=\backslash frac\{h\}\{m\_\backslash text\{p\}c\}=1.321\backslash \; 409\backslash \; 855\backslash \; 39(40)\backslash times\; 10^\{-15\}\backslash \; \backslash text\{m\}$ (2018 CODATA 권장값)

2.5. 전하 반지름

CODATA에서 권장하는 양성자의 전하 반지름 값은 0.8414(19) × 10⁻¹⁵ m이다(2018 CODATA 권장값). 양성자의 반지름은 양자 전기 역학으로 계산할 수 있는 공식으로 정의되며, 원자 분광법이나 전자-양성자 산란을 통해 유도할 수 있다. 이 공식에는 양성자의 2차원 파톤 지름과 관련된 형태 인자가 포함된다.

2010년 이전의 값은 양성자에서 전자를 산란시킨 후 로젠블루스 방정식을 기반으로 하는 산란 단면적(운동량 전달 단면적)과 수소 및 중수소의 원자 에너지 준위 연구를 기반으로 한다. 2010년, 국제 연구팀은 뮤온 수소(양성자와 음전하를 띤 뮤온으로 이루어진 이국적 원자)의 램 이동을 통해 양성자 전하 반지름 측정값을 발표했다. 뮤온은 전자보다 200배 무거워 원자 궤도가 더 작으므로 양성자의 전하 반지름에 훨씬 더 민감하여 더 정밀한 측정이 가능하다.

2.6. 자기 모멘트

양성자의 자기 모멘트 μ_p는 1.410 606 797 36(60)×10⁻²⁶ J T⁻¹이다(2018 CODATA 권장값). 핵자기자 μ_N에 대한 비(이상 자기 모멘트)는 2.792 847 344 63(82)이다(2018 CODATA 권장값).

3. 성질

양성자는 스핀-½ 페르미온이며, 세 개의 원자가 쿼크로 구성되어 있으므로 바리온(하드론의 일종)이다. 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.

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. 양성자의 질량은 세 개의 원자가 쿼크의 정지 질량의 합보다 약 80~100배 더 크며, 글루온은 정지 질량이 0이다. 양성자 내 쿼크와 글루온의 추가 에너지는 양성자 질량의 거의 99%를 차지한다. 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).

양성자를 구성하는 쿼크의 질량을 언급할 때 '전류 쿼크 질량'과 '구성 쿼크 질량' 두 가지 용어가 사용된다. '전류 쿼크 질량'은 쿼크 자체의 질량을 나타내는 반면, '구성 쿼크 질량'은 전류 쿼크 질량과 쿼크를 둘러싼 글루온 양자장이론 입자장의 질량을 합한 것이다. 이러한 질량 값은 일반적으로 매우 다르다. 가둠의 결과로 나타나는 쿼크의 운동 에너지도 기여한다 (특수 상대성이론에서의 질량 참조). 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.

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

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

3.1. 구성 쿼크

쿼크의 발견으로, 양성자는 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.

양자색역학(quantum chromodynamics)에 따르면, 양성자와 중성자 질량의 대부분은 특수 상대성이론으로 설명된다. 양성자의 질량은 세 개의 원자가 쿼크의 정지 질량의 합보다 약 80~100배 더 크며, 글루온은 정지 질량이 0이다. 양성자 내 쿼크와 글루온의 추가 에너지는 양성자 질량의 거의 99%를 차지한다. 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).

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

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

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

4. 안정성

표준 모형에서는 양성자가 안정적인 입자로 간주되지만, 일부 대통일 이론(GUT)은 양성자가 10³¹년에서 10³⁶년 사이의 수명으로 붕괴한다고 예측한다. 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. 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.

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.

4.1. 양성자 붕괴 실험

표준 모형에서 양성자는 안정적인 입자로 간주되지만, 일부 대통일 이론(GUT)은 양성자가 10³¹년에서 10³⁶년 사이의 수명으로 붕괴한다고 예측한다. 현재까지 자유 양성자의 자발적 붕괴는 관측되지 않았다.

일본의 카미오칸데 실험은 양성자 붕괴 관측을 목표 중 하나로 삼았다. 10³³개의 양성자를 모으면 1년에 1개 이상의 양성자 붕괴가 관측될 확률이 약 63%이며, 2년 동안에는 약 87%, 3년 동안에는 약 95%의 확률로 관측될 수 있다. 그러나 2017년 현재까지 붕괴 현상은 관측되지 않았으며, 슈퍼 가미오칸데 실험 결과, 양성자의 수명은 적어도 10³⁴년(100구년) 이상으로 추정된다.

슈퍼 가미오칸데 검출기에서 수행된 실험은 반뮤온과 중성 파이온으로의 붕괴에 대해 6.6 x 10³³년, 양전자와 중성 파이온으로의 붕괴에 대해 8.2 x 10³³년의 양성자 평균 수명 하한값을 제시했다. 캐나다의 서드베리 중성미자 관측소에서 수행된 실험은 산소-16의 양성자 붕괴로 인한 잔류 핵에서 발생하는 감마선을 탐색하여, 양성자 수명 하한값을 2.1 x 10²⁹년으로 설정했다.

양성자 붕괴는 양성자 내부의 쿼크끼리 10^-31m 이내로 접근했을 때 일어나는 현상으로 예측된다. 쿼크 반지름이 이보다 크다면 양성자 붕괴는 일어나지 않는다.

양성자 붕괴 시 어떤 입자로 붕괴하는지는 대통일 이론 모델에 따라 다르지만, 많은 모델에서 주요 붕괴 모드는 다음과 같다.

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

중성자별은 양성자 붕괴가 일어나지 않는다는 것을 전제로 한다.

5. 역사

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

그러나 서로 다른 기체에서 나온 입자들은 전하-질량비가 달랐기 때문에, 전자와는 달리 단일 입자로 식별할 수 없었다. 1898년 빌헬름 비엔은 이온화된 기체에서 가장 높은 전하-질량비를 가진 입자가 수소 이온임을 밝혔다.

1911년 어니스트 러더퍼드가 원자핵을 발견한 후, 안토니우스 판 덴 브로크는 각 원소의 주기율표에서의 위치(원자번호)가 핵전하와 같다고 제안했다. 이는 1913년 헨리 모즐리가 X선 스펙트럼을 사용하여 실험적으로 확인하였다.

1917년, 러더퍼드는 (1919년과 1925년에 보고된) 실험을 수행하여 수소 핵이 다른 핵에도 존재함을 증명했는데, 이는 일반적으로 양성자 발견으로 설명된다. 러더퍼드는 알파 입자를 질소 기체에 충돌시키는 실험을 통해 수소 원자핵(양성자)이 다른 원자핵에도 존재함을 증명했다. 이것은 최초로 보고된 핵반응이었다. .

러더퍼드는 수소가 가장 단순하고 가벼운 원소이며, 프라우트의 가설에 영향을 받아 수소가 모든 원소의 구성 요소라고 생각했다. 그는 수소 핵 에 특별한 이름을 부여했는데, 가장 가벼운 원소인 수소가 이 입자 하나만 포함하고 있다고 생각했기 때문이다. 그는 "첫 번째"를 뜻하는 그리스어 πρῶτον^{고대 그리스어}에서 유래한 양성자(proton)로 명명했다. 러더퍼드는 1920년 8월 영국 과학진흥협회의 카디프 회의에서 올리버 로지의 제안에 따라 "양성자"라는 명칭을 제안했고, 이것이 받아들여졌다. 과학 문헌에서 "양성자"라는 단어가 처음 사용된 것은 1920년이었다.

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

양성자는 원자핵과의 충돌과 원자의 이온화를 통해 에너지를 잃고, 일반 원자의 전자 구름에 포획될 만큼 충분히 속도가 느려진다. 그러나 전자와의 결합에서 양성자는 그 특성이 변하지 않고 계속 양성자로 남아있는다. 일반 물질에 존재하는 전자에 대한 저에너지 자유 양성자의 인력으로 인해 자유 양성자는 정지하고 원자와 새로운 화학 결합을 형성한다.

8. 고에너지 핵물리학

9. 양성자와 관련된 기타 내용

9.1. 양성자 치료

9.2. 우주에서의 양성자

양성자는 높은 에너지와 속도를 가지고 성간 물질을 통과하는 우주선의 90%를 차지한다. 자유 양성자는 온도가 너무 높아 전자와 결합할 수 없는 플라스마에 존재한다.

아폴로 달 착륙 실험 장비(ALSEP)는 태양풍 입자의 95% 이상이 전자와 양성자이며, 그 수는 거의 같다는 것을 밝혔다. 지구 자기장은 태양풍 입자에 영향을 미치는데, 달이 지구 자기장 밖에 있을 때는 양성자 밀도가 입방 센티미터당 10~20개, 속도는 초속 400~650km이다. 달이 지구의 지자기 꼬리 안에 있을 때는 태양풍 입자가 감지되지 않으며, 자기권 외피 영역에서는 입자 플럭스가 감소하고 양성자 속도는 초속 250~450km이다.

양성자는 은하 우주선에서 태양계 외부 기원을 가지기도 하며, 전체 입자 플럭스의 약 90%를 차지한다. 이러한 양성자는 태양풍 양성자보다 에너지가 높고, 강도는 훨씬 균일하며 변동이 적다. 태양에서 오는 양성자는 태양 양성자 사건(코로나 질량 방출)의 영향을 크게 받는다.

우주 여행에서 양성자의 선량률 효과, 양성자 노출로 인한 암 발생, 신경 화학적 및 행동적 종점에 대한 양성자 조사 노출의 영향, 우주선의 전기적 충전 등에 대한 연구가 진행되었다. 은하 우주선과 잠재적인 건강 영향, 태양 양성자 사건 노출을 포함하여 우주 여행과 관련된 더 많은 연구가 필요하다.

9.3. 반양성자

CPT 대칭성은 입자와 반입자의 상대적 성질에 대한 강력한 제약 조건을 제시하며, 따라서 엄격한 검증이 가능하다. 예를 들어, 양성자와 반양성자의 전하는 정확히 0이 되어야 한다. 이 등식은 10⁸분의 1까지 검증되었다. 양성자와 반양성자의 질량이 같다는 것 또한 10⁸분의 1보다 더 정확하게 검증되었다. 페닝 트랩에 반양성자를 가둠으로써, 양성자와 반양성자의 전하-질량 비율이 같다는 것이 6×10⁹분의 1까지 검증되었다. 반양성자의 자기 모멘트는 8×10^-3 핵 보어 마그네톤의 오차 범위 내에서 측정되었으며, 양성자의 자기 모멘트와 크기는 같고 방향은 반대인 것으로 밝혀졌다.