중입자
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1. 개요
중입자는 3개의 쿼크로 구성된 아원자 입자이며, 중입자수를 가지는 페르미온이다. 중입자는 핵자, 델타, 람다, 시그마, 크사이, 오메가 등 6개의 그룹으로 분류되며, 아이소스핀과 쿼크의 종류에 따라 구분된다. 쿼크는 업, 다운, 스트레인지, 참, 바닥, 탑 쿼크로 나뉘며, 표준 모형에서 중입자 수는 보존된다. 중입자는 펜타쿼크와 같은 이종 중입자로도 존재할 수 있으며, 우주에 중입자가 반입자보다 많은 현상인 중입자 생성과 관련하여 우주론적으로 중요하다.
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- 강입자 - 아이소스핀
아이소스핀은 핵자와 중간자를 분류하고 상호작용을 이해하기 위해 도입된 양자수로, 강력에 대한 양성자와 중성자의 유사한 상호작용에서 비롯되었으며, 쿼크 모형에서는 위 쿼크와 아래 쿼크를 섞는 대칭으로 설명되는 강한 상호작용의 SU(2) 대칭성을 나타낸다. - 강입자 - 핵자
핵자는 원자핵의 구성 요소인 양성자와 중성자를 통칭하며, 쿼크와 글루온으로 구성된 복합 입자로서 스핀, 질량, 전하 등의 물리적 성질을 가지고, 자유 상태 또는 핵 내에서 안정성을 가지며, 다양한 모델 연구의 대상이 되는 핵자 공명을 갖는다. - 중입자 - 중성자
중성자는 전하를 띠지 않는 기본 입자로, 바리온의 일종이며 베타 붕괴를 통해 붕괴하고, 원자핵의 주요 구성 요소로서 핵반응, 과학 연구, 의료 응용 분야에서 중요한 역할을 하며 제임스 채드윅에 의해 발견되었다. - 중입자 - 양성자
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| 중입자 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 구성 입자 | 쿼크 3개 |
| 상호 작용 | 강한 상호작용 |
| 관련 입자 | 중간자 (쿼크 1개와 반쿼크 1개로 구성) |
| 성질 | |
| 전하 | 정수 전하 (+2e, +e, 0, -e, -2e) |
| 스핀 | 반정수 스핀 (1/2, 3/2, 5/2...) |
| 색깔 전하 | 무색 (흰색) |
| 질량 | 매우 다양함 (938 MeV/c² 이상) |
| 안정성 | 안정적이거나 불안정적임 (다양한 수명) |
| 종류 | |
| 핵자 | 양성자 중성자 |
| 하이페론 | 람다 중입자 시그마 중입자 크사이 중입자 오메가 중입자 |
| 델타 중입자 | 델타 중입자 |
| 엑소틱 중입자 | 펜타쿼크 (쿼크 4개와 반쿼크 1개로 구성) 다이바리온 (중입자 6개로 구성) |
| 이론적 배경 | |
| 이론 | 양자 색역학 (QCD) |
| 설명 | 쿼크는 색깔 전하를 가지며, 이 색깔 전하로 인해 강한 상호작용을 한다. 중입자는 세 개의 쿼크가 모여 색깔 전하가 상쇄되어 흰색(무색)을 띤다. |
2. 어원
"바리온"이라는 명칭은 그리스어 "βαρύς|바리스grc"(무겁다)와 입자를 뜻하는 접미사 -on영어에서 유래했다. 이는 중입자가 렙톤(경입자)에 비해 무겁기 때문이다. 하지만 가장 무거운 렙톤인 타우 입자는 가장 가벼운 중입자인 양성자나 중성자보다 무겁다.
중입자는 강한 핵력의 영향을 받으며 페르미-디랙 통계를 따르는 페르미온이다. 이는 파울리 배타 원리를 따르지 않는 보손과는 대조적이다. 중입자는 중입자수(B)라는 양자수를 가지며, 표준 모형에서는 중입자 수가 보존된다. 쿼크는 B = 1/3, 반쿼크는 B = -1/3의 중입자 수를 갖는다. "중입자"라는 용어는 일반적으로 세 개의 쿼크로 만들어진 중입자인 ''트리쿼크''를 지칭한다(''B'' = 1).
중입자는 포함된 쿼크의 종류와 수, 아이소스핀, 총 각운동량, 패리티 등 양자수에 따라 분류된다. u, d, s 쿼크로 구성된 중입자는 핵자, 델타 중입자, 람다 중입자, 시그마 중입자, 크사이 중입자, 오메가 중입자로 분류된다. c, b, t 쿼크를 포함하는 중입자는 해당 쿼크 이름(참, 바닥, 톱)을 붙여 구분한다.[20]
3. 성질
대통일 이론에서는 중입자 수 보존 법칙이 깨질 수 있다고 예측하며, 양성자 붕괴가 그 예시이다. 그러나 아직 실험적으로 검증되지 않았다.[11]
펜타쿼크와 같이 다른 이국적인 중입자가 제안되었다. 펜타쿼크는 4개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 만들어진 중입자이다(''B'' = 1).[5][6] 그러나 그들의 존재는 일반적으로 받아들여지지 않는다. 이론적으로는 헵타쿼크(쿼크 5개, 반쿼크 2개), 노나쿼크(쿼크 6개, 반쿼크 3개) 등도 존재할 수 있다.
중입자 생성은 초기 우주에서 중입자와 반입자의 균형이 깨지면서 중입자가 더 많아진 현상을 설명하는 이론이다.
4. 분류
중입자는 아이소스핀(''I'') 값과 쿼크(''q'') 내용에 따라 핵자, 델타 중입자, 람다 중입자, 시그마 중입자, 크사이 중입자, 오메가 중입자의 6개 그룹으로 분류된다.
총 각운동량 ''J'' = 3/2 구성을 가진 중입자 중에서 그 ''J'' = 1/2 대응물과 동일한 기호를 갖는 것은 별표(*)로 표시된다. 세 개의 서로 다른 쿼크로 구성된 두 개의 중입자는 ''J'' = 1/2 구성으로 만들 수 있는데 이 경우, 프라임 기호(′)를 사용하여 그들을 구별한다. 예외적으로 세 개의 쿼크 중 두 개가 u와 d인 경우, 한 중입자는 Λ로, 다른 중입자는 Σ로 명명된다.
쿼크는 전하를 가지므로 입자의 전하를 알면 간접적으로 쿼크 내용을 알 수 있다. 예를 들어, c 쿼크는 +2/3의 전하를 가지므로, Λc+의 총 전하가 +1이 되려면 다른 두 쿼크는 u (''Q'' = +2/3)와 d (''Q'' = -1/3)여야 한다.
u, d, s 쿼크로 구성된 중입자는 18종류가 있으며, ''J''P = 1/2인 중입자 8중항과 ''J''P = 3/2인 중입자 10중항으로 분류된다.
이들은 가장 가벼운 핵자 N (양성자 p와 중성자 n)을 시작으로, Δ, Λ, Σ, Ξ, Ω라고 불린다. 핵자와 델타 중입자를 제외한 나머지 입자는 s를 포함하며, 하이퍼론으로 총칭된다.
이름을 붙일 때, 원칙적으로 아이소스핀 성분으로는 구분하지 않는다. 즉, u와 d는 구분하지 않는다. 기호에서는 전하로 구분한다. 예를 들어, 델타 중입자는 Δ++ (uuu), Δ+ (uud), Δ0 (udd), Δ− (ddd)의 4종류 중입자의 총칭이다. 예외적으로, 핵자에는 N+ (uud)와 N0 (udd)의 2종류가 있지만, 각각 고유한 이름과 기호, 즉 양성자 p와 중성자 n이 있다.
중입자의 ''J''P에는 1/2과 3/2가 있지만, 이름으로는 구분하지 않고, ''J''P = 3/2인 쪽에 *를 붙인다. 예를 들어, 시그마 중입자에는 Σ±, Σ0 (''J''P = 1/2)와 Σ*±, Σ*0 (''J''P = 3/2)이 있다. 단, ''J''P = 3/2밖에 없는 경우에는 Ω처럼 아무것도 붙이지 않는다. 예외적으로, 핵자 (''J''P = 1/2)에 대응하는 ''J''P = 3/2의 중입자에는 델타 입자 Δ라는 고유한 이름과 기호가 있다.
아이소스핀 ''I''가 다른 중입자는, u, d, s로만 구성된 중입자 중에서는 Λ0（uds, ''I'' = 0）과 중성 Σ0（uds, ''I'' = 1）뿐이며, 다른 이름이 붙어 있다.
c, b, t를 1개 포함하는 중입자는, 해당 쿼크 대신 s를 포함하는 중입자에 참(c), 바닥(b), 톱(t)을 붙인다. 예를 들어 Λ0 (uds)에 대해 참 람다 중입자 Λc+ (udc)와 같이 한다. 여러 개 포함하는 중입자는, 예를 들어, Ξ0 (uss)・Ξ- (dss)에 대해 더블 참(또는 더블 참) 크사이 중입자 Ξcc++ (ucc) (미발견)・Ξcc+ (dcc), 참 바닥 크사이 중입자 Ξcb0 (ucb)・Ξcb- (dcb) (둘 다 미발견)와 같이 한다.
4. 1. 아이소스핀과 전하
베르너 하이젠베르크는 1932년에 강한 상호작용에서 양성자와 중성자의 유사성을 설명하기 위해 아이소스핀 개념을 처음 제안하였다.[12] 양성자와 중성자는 전하는 다르지만 질량이 매우 비슷하여, 물리학자들은 이들이 사실상 같은 입자라고 생각했다. 서로 다른 전하는 스핀과 유사한 미지의 들뜸 현상으로 설명되었고, 1937년 유진 위그너에 의해 이 들뜸 현상에 '아이소스핀'이라는 이름이 붙여졌다.[13]
이러한 믿음은 1964년 머리 겔만이 쿼크 모형을 제안할 때까지 지속되었다.[14] (원래 쿼크 모형에는 u, d, s 쿼크만 포함되었다.)[14] 현재는 아이소스핀 모형의 성공이 u 쿼크와 d 쿼크의 질량이 유사하기 때문인 것으로 이해되고 있다. u 쿼크와 d 쿼크의 질량이 유사하므로, 이들 쿼크로 동일한 개수만큼 구성된 입자들은 질량 역시 유사하다. u 쿼크는 +의 전하를, d 쿼크는 -의 전하를 가지므로, 정확한 u 쿼크와 d 쿼크의 구성에 따라 전하가 결정된다. 예를 들어, 네 종류의 델타 중입자(Δ++ (uuu), Δ+ (uud), Δ0 (udd), Δ− (ddd))는 모두 전하가 다르지만, u 또는 d 쿼크 세 개의 조합으로 만들어지기 때문에 질량은 약 1,232 MeV/c2로 비슷하다. 아이소스핀 모형에서는 이들을 서로 다른 전하 상태를 가진 하나의 입자로 간주한다.
아이소스핀의 수학적 모델은 스핀을 본땄다. 아이소스핀 투영은 스핀 투영과 마찬가지로 1씩 증가하며, 각 투영에는 "전하 상태"가 연관되었다. 델타 중입자는 네 개의 "전하 상태"를 가지므로 아이소스핀 ''I'' = 를 가진다. 각 "전하 상태" Δ++, Δ+, Δ0, Δ−는 각각 아이소스핀 투영 ''I''3 = +, ''I''3 = +, ''I''3 = -, ''I''3 = -에 해당한다. 또 다른 예로 "핵자"는 두 개의 "전하 상태"를 가지므로 아이소스핀은 이다. 양성자(p)는 ''I''3 = +, 중성자(n)는 ''I''3 = -에 해당한다.[15]
이후 아이소스핀 투영과 입자의 업 쿼크 및 다운 쿼크 함량 사이에 다음과 같은 관계가 있다는 것이 밝혀졌다.
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여기서 ''n''은 업 쿼크와 다운 쿼크 및 반쿼크의 개수를 나타낸다.
"아이소스핀 그림"에서는 네 개의 델타와 두 개의 핵자가 서로 다른 상태로 간주되었지만, 쿼크 모형에서는 델타가 핵자의 다른 상태이다(N++ 또는 N−는 파울리 배타 원리에 의해 허용되지 않음). 아이소스핀은 엄밀하게는 정확하지 않지만, 중입자를 분류하는 데 여전히 사용되어 종종 혼란스러운 명명법을 초래하기도 한다.
겔만-니시지마 공식은 전하(''Q'')를 아이소스핀 투영(''I''3), 중입자수(''B''), 그리고 맛깔 양자수(''S'', ''C'', ''B''′, ''T'')와 연관시킨다.[15]
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여기서 ''S'', ''C'', ''B''′, ''T''는 각각 기묘도, 매력, 바닥, 탑 맛깔 양자수를 나타내며, 다음과 같은 관계를 통해 기묘, 매력, 바닥, 탑 쿼크와 반쿼크의 개수와 관련된다.
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따라서 겔만-니시지마 공식은 쿼크 함량으로 전하를 표현하는 것과 같다.
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4. 2. 맛깔 양자수
맛깔 양자수는 쿼크의 종류를 나타내는 양자수이다. 여기에는 기묘도(S), 매력(C), 바닥(B′), 탑(T) 등이 있다.[15] 이들은 각각 기묘 쿼크, 참 쿼크, 바닥 쿼크, 탑 쿼크의 수와 관련되어 있다.
각 맛깔 양자수는 해당 쿼크의 수에서 반쿼크의 수를 뺀 값으로 정의된다. 예를 들어 기묘도(S)는 반 기묘 쿼크의 수에서 기묘 쿼크의 수를 뺀 값의 음수이다.
겔만-니시지마 공식에 따르면, 입자의 전하(Q)는 아이소스핀 투영(''I''3), 바리온 수(B), 그리고 맛깔 양자수(S, C, B′, T)와 관련이 있다.[15]
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이 공식은 쿼크의 전하를 다음과 같이 표현할 수 있다.
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4. 3. 스핀, 궤도 각운동량, 총 각운동량
S궤도 각운동량,
L총 각운동량,
J패리티,
P축약된
표기법, JProwspan="4"| 0 + + 1 , − −, − 2 , + +, + 3 , − −, − rowspan="4"| 0 + + 1 , , − −, −, − 2 , , , + +, +, +, + 3 , , , − −, −, −, −