오메가 중입자
1. 개요
오메가 중입자는 쿼크 모형에 따라 맵시 및 바닥 쿼크를 포함하는지에 따라 총 10종이 존재하며, 그 중 오메가(Ω), 맵시 오메가(Ωc), 바닥 오메가(Ωb) 3종이 발견되었다. 머리 겔만이 팔정도를 이용하여 오메가 중입자를 예측했으며, 1964년 브룩헤이븐 국립연구소에서 처음 발견되었다. 바닥 오메가는 2008년 DØ 실험에서 처음 발견되었으나, 2009년 CDF 실험을 통해 표준 모형 예측과 일치하는 질량으로 측정되었다. 2013년 LHCb 공동 연구진은 CDF 결과와 일치하는 더 정확한 질량 측정을 발표했다.
| 이름 | 오메가 중입자 |
|---|---|
| 구성 | sss |
| 가족 | 페르미온 |
| 무리 | 중입자 |
| 세대 | 2 |
| 기호 | Ω− |
| 이론 | 머리 겔만 |
| 발견 | Barnes et al. (브룩헤이븐 국립연구소) |
| 질량 | 바닥상태: 1672.45(29) MeV/c2 |
| 질량 (Ω−(2250)) | 2252(9) MeV/c2 |
| 질량 (Ω−(2380)) | 2380 MeV/c2 |
| 질량 (Ω−(2470)) | 2474(12) MeV/c2 |
| 전하 | −1 |
| 색전하 | 0 |
| 이름 | 맵시 오메가 중입자 |
|---|---|
| 구성 | ssc |
| 가족 | 페르미온 |
| 무리 | 중입자 |
| 세대 | 2 |
| 기호 | Ωc0 |
| 질량 | 바닥상태: 2695.2(1.7) MeV/c2 |
| 질량 (Ωc(2770)0) | 2765.9(2.0) MeV/c2 |
| 전하 | 0 |
| 색전하 | 0 |
| 이름 | 바닥 오메가 중입자 |
|---|---|
| 구성 | ssb |
| 가족 | 페르미온 |
| 무리 | 중입자 |
| 세대 | 3 |
| 기호 | Ωb− |
| 질량 | 6165(10)(13) MeV/c² |
| 전하 | −1 |
| 색전하 | 0 |
| 종류 | 중입자 |
|---|---|
| 입자 무리 | 강입자 |
| 구성 성분 | 3개의 쿼크 |
| 상호작용 | 강한 상호작용 |
| 발견 연도 | 1964년 |
2. 역사
1962년에 머리 겔만이 팔정도를 이용하여 중입자 10중항을 완성하기 위하여 (야릇한) 오메가 중입자를 예측하였다. 이 입자는 1964년에 브룩헤이븐 국립연구소에서 발견되었다.
Bottom omega영어 입자는 두 개의 기묘 쿼크와 바닥 쿼크를 포함하는 "이중 기묘" 중입자이다. 이 입자의 발견은 2008년 9월 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론 시설에서 DØ 실험을 수행한 물리학자들에 의해 처음 주장되었다. 그러나 보고된 질량 6165MeV는 쿼크 모형에서 예상한 값보다 상당히 높았다. 표준 모형과의 겉보기 불일치는 이후 "Bottom omega영어 퍼즐"로 불렸다.
2009년 5월, CDF 공동 연구진은 DØ 실험에서 사용한 데이터 샘플의 약 4배에 달하는 데이터를 분석하여 Bottom omega-영어를 탐색한 결과를 공개했다. CDF는 질량을 6054.4MeV로 측정했는데, 이는 표준 모형 예측과 매우 잘 일치했다. DØ가 보고한 값에서는 신호가 관측되지 않았다. 두 결과는 111MeV만큼 차이가 나는데, 이는 6.2 표준 편차에 해당하며 따라서 모순된다. CDF가 측정한 질량과 이론적 예상 간의 훌륭한 일치는 CDF가 발견한 입자가 실제로 Bottom omega-영어임을 강력하게 시사한다. 2013년 2월, LHCb 공동 연구진은 CDF 결과와 일치하지만 더 정확한 Bottom omega-영어 질량 측정을 발표했다.
2017년 3월, LHCb 공동 연구진은 Charmed Xi+영어Kaon-영어로 붕괴되는 다섯 개의 새로운 좁은 Charmed Omega0영어 상태를 관측했다고 발표했는데, 여기서 Charmed Xi+영어는 proton영어Kaon-영어pion+영어 붕괴 모드에서 재구성되었다. 이 상태들은 Charmed Omega영어(3000)0, Charmed Omega영어(3050)0, Charmed Omega영어(3066)0, Charmed Omega영어(3090)0 및 Charmed Omega영어(3119)0로 명명되었다. 질량과 폭이 보고되었지만, 샘플에 존재하는 큰 배경 때문에 양자수는 결정될 수 없었다.
3. 종류
쿼크 모형에 따르면, 오메가 중입자는 맵시 쿼크 및 바닥 쿼크를 포함하는지에 따라 총 10종이 가능하다. 이 중 처음 셋, 즉 일반 오메가(Ω), 맵시 오메가(Ωc), 바닥 오메가(Ωb)만이 발견되었다. (꼭대기 쿼크는 너무 무거워 중입자를 이루지 않는다.)
각 오메가 중입자의 쿼크 조성, 정지 질량, 스핀, 전하, 스트레인지, 매력, 바닥, 평균 수명, 붕괴 방식 등은 하위 섹션 "오메가 중입자 목록"에 상세히 설명되어 있다.
Ωb는 두 개의 스트레인지 쿼크를 포함하는 입자로, 2008년 9월 페르미 국립 가속기 연구소의 DZero 실험에서 처음 발견되었다. 그러나 보고된 질량은 쿼크 모델의 예측보다 상당히 커서 "Ωb 퍼즐"이라고 불렸다. 2009년 5월, CDF(Collider Detector at Fermilab)는 DZero의 약 4배의 데이터를 사용하여 검증을 수행했고, 예측과 일치하는 결과를 얻었다. 이 결과는 이전 실험 값에 해당하는 신호가 없음을 보여주었다. 두 결과는 표준 편차로 6.2만큼 달랐다. CDF의 관측 값이 이론적인 예측과 일치하므로, CDF가 발견한 입자가 진짜 Ωb임을 강력하게 시사한다.
3.1. 오메가 중입자 목록
쿼크 모형에 따르면, 오메가 중입자는 맵시 쿼크 및 바닥 쿼크를 포함하는지에 따라 총 10종이 가능하다. (꼭대기 쿼크는 너무 무거워 중입자를 이루지 않는다.) 이 중 오직 처음 셋만이 발견되었다.
| 입자 | 기호 | 쿼크 조성 | 정지 질량 (MeV/c2) | JP | Q (e) | S | C | B' | 평균 수명 (s) | 붕괴 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 오메가 | sss | 3/2+ | -1 | -3 | 0 | 0 | Λ0 + K- 또는 Ξ0 + π- 또는 Ξ- + π0 | |||
| 맵시 오메가 | ssc | 1/2+ | 0 | -2 | +1 | 0 | [https://pdg.lbl.gov/2022/listings/contents_listings.html 맵시 오메가0 붕괴 모드] 참조 | |||
| 바닥 오메가 | ssb | 1/2+ | -1 | -2 | 0 | -1 | Ω- + J/ψ (관찰됨) | |||
| 이중 맵시 오메가† | scc | 1/2+ | +1 | -1 | +2 | 0 | ||||
| 맵시 바닥 오메가† | scb | 1/2+ | 0 | -1 | +1 | -1 | ||||
| 이중 바닥 오메가† | sbb | 1/2+ | -1 | -1 | 0 | -2 | ||||
| 삼중 맵시 오메가† | ccc | 3/2+ | +2 | 0 | +3 | 0 | ||||
| 이중 맵시 바닥 오메가† | ccb | 1/2+ | +1 | 0 | +2 | -1 | ||||
| 맵시 이중 바닥 오메가† | cbb | 1/2+ | 0 | 0 | +1 | -2 | ||||
| 삼중 바닥 오메가† | bbb | 3/2+ | -1 | 0 | 0 | -3 | ||||
† 입자(또는 스핀)는 관측되거나 검출되지 않았다.
가장 먼저 발견된 오메가 입자는 세 개의 스트레인지 쿼크로 구성된 Ω-로, 1964년에 발견되었다。이는 그 존재, 질량, 붕괴 생성물이 이미 예측된 후에 발견되었기 때문에, 이 발견으로 쿼크 연구가 크게 진전되었다. Ω-는 비교적 긴 반감기를 가지며, 약한 상호작용을 통해서만 붕괴한다。
오메가 입자는 업 쿼크나 다운 쿼크를 가지지 않기 때문에, 아이소스핀은 0이다.
4. 최근 발견
입자는 두 개의 기묘 쿼크와 바닥 쿼크를 포함하는 "이중 기묘" 중입자이다. 2008년 9월 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론 시설에서 DØ 실험을 수행한 물리학자들이 이 입자의 발견을 처음 주장했다. 그러나 보고된 질량 는 쿼크 모형에서 예상한 값보다 상당히 높았다. 표준 모형과의 겉보기 불일치는 이후 "" 퍼즐로 불렸다.
2009년 5월, CDF 공동 연구진은 DØ 실험에서 사용한 데이터 샘플의 약 4배에 달하는 데이터를 분석하여 를 탐색한 결과를 공개했다. CDF는 질량을 로 측정했는데, 이는 표준 모형 예측과 매우 잘 일치했다. DØ가 보고한 값에서는 신호가 관측되지 않았다. 두 결과는 만큼 차이가 나는데, 이는 6.2 표준 편차에 해당하며 따라서 모순된다. CDF가 측정한 질량과 이론적 예상 간의 훌륭한 일치는 CDF가 발견한 입자가 실제로 임을 강력하게 시사한다.
2013년 2월, LHCb 공동 연구진은 CDF 결과와 일치하지만 더 정확한 질량 측정을 발표했다.