쿼크

3. 성질

쿼크는 기본 전하의 −⅓ 또는 +⅔ 배의 전하를 가지는 입자로, 자연에서 발견되는 유일한 분수 전하이다. 쿼크는 색전하(色電荷, colour charge^영어)를 가지며, 강한 상호작용을 통해 서로 결합한다. 또한 스핀-½ 입자이므로 페르미온이며, 파울리 배타 원리를 따른다.

쿼크는 약한 상호작용을 통해 다른 종류의 쿼크로 변환될 수 있다. 표준 모형에 따르면, 쿼크는 업(u), 다운(d), 스트레인지(s), 챰(c), 바텀(b), 톱(t)의 여섯 종류가 있으며, 이들을 '플레이버'라고 부른다.

쿼크의 질량을 나타낼 때는 ''전류 쿼크 질량''과 ''구성 쿼크 질량'' 두 가지 용어를 사용한다. 전류 쿼크 질량은 쿼크 자체의 질량을, 구성 쿼크 질량은 전류 쿼크 질량과 쿼크를 둘러싼 글루온 입자장의 질량을 합한 것이다.

다음 표는 여섯 가지 쿼크의 주요 특성을 요약한 것이다.

''J'' = 총 각운동량, ''B'' = 바리온 수, ''Q'' = 전하, ''I''₃ = 아이소스핀, ''C'' = 참, ''S'' = 기묘도, ''T'' = 톱니스, ''B''′ = 바텀니스.

3. 1. 전하

3. 2. 스핀

3. 3. 약한 상호작용

베타 붕괴와 그 역과정인 ''역 베타 붕괴''는 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같은 의학적 응용 및 뉴트리노 검출 실험에 사용된다.

모든 쿼크는 맛 변환 과정을 겪지만, 각 쿼크는 자신의 세대에 속한 쿼크로 변환되는 것을 선호한다. 이러한 맛 변환의 상대적인 경향은 카비보-코바야시-마스카와 행렬(CKM 행렬)로 설명된다. CKM 행렬의 각 요소(''V''_''ij'')는 맛 ''i''의 쿼크가 맛 ''j''의 쿼크로 변환될 확률(또는 그 반대)을 나타낸다.^[76] CKM 행렬의 근사값은 다음과 같다.^[77]

:$$

\begin{bmatrix} |V_\mathrm {ud}| & |V_\mathrm {us}| & |V_\mathrm {ub}| \\ |V_\mathrm {cd}| & |V_\mathrm {cs}| & |V_\mathrm {cb}| \\ |V_\mathrm {td}| & |V_\mathrm {ts}| & |V_\mathrm {tb}| \end{bmatrix} \approx

\begin{bmatrix} 0.974 & 0.225 & 0.003 \\ 0.225 & 0.973 & 0.041 \\ 0.009 & 0.040 & 0.999 \end{bmatrix}



렙톤에 대한 약한 상호작용 행렬은 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬(PMNS 행렬)이라고 한다.^[78] CKM 행렬과 PMNS 행렬은 모든 맛 변환을 설명하지만, 두 행렬 간의 관계는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.^[79]

3. 4. 강한 상호작용과 색전하

3. 5. 질량

각각의 구성 쿼크의 질량은 예를 들어 업 쿼크(u)는 전자 질량의 약 10배, 다운 쿼크(d)는 약 20배이지만, 이들이 결합하면 질량은 단순히 더한 값과는 다르게 된다. 예를 들어,

• uud 조합은 양성자를 구성하지만, 질량은 10+10+20=40이 아니라 전자 질량의 약 1836배이다.
• udd 조합은 중성자를 구성하지만, 질량은 10+20+20=50이 아니라 전자 질량의 약 1839배이다.

4. 쿼크와 하드론

쿼크는 강한 상호작용을 통해 결합하여 하드론을 형성한다. 하드론은 바리온과 메손으로 나뉜다. 바리온은 세 개의 밸런스 쿼크를 가지며, 메손은 밸런스 쿼크 하나와 반쿼크 하나를 가진다.^[12] 원자핵의 구성 요소인 양성자와 중성자는 가장 일반적인 바리온이다.^[13] 많은 수의 하드론이 알려져 있으며(바리온 목록 및 메손 목록 참조), 대부분은 쿼크 구성과 이 구성 쿼크가 부여하는 특성에 따라 구별된다.

하드론 내부에는 밸런스 쿼크 외에도 양자수에 영향을 미치지 않는 불확정 수의 가상 바다 쿼크, 반쿼크, 글루온이 존재한다.^[11] 바다 쿼크는 하드론의 색깔장의 글루온이 분리될 때 형성되며, 이 과정은 두 바다 쿼크의 소멸이 글루온을 생성하는 역과정으로도 작용한다. 그 결과 글루온의 분리와 생성이 끊임없이 반복되는데, 이를 일반적으로 "바다"(the sea)라고 부른다.^[100]

쿼크 모형이 확립되기 전에는 하드론이 강한 상호작용을 하는 입자이며 기본 입자라고 생각되었다. 하지만 새로운 하드론이 계속 발견되면서, 핵자에 대해서는 더 작은 구성 요소(쿼크 모형)에 의한 구조를 가정하지 않을 수 없게 되었다. 현재는 하드론이 6종류의 쿼크와 하드론 내부에서 강한 상호작용을 전파하는 8종류의 글루온으로 구성된 것으로 생각되고 있다.

하드론은 바리온과 중간자(메손)으로 나뉜다. 바리온은 쿼크 3개, 중간자는 쿼크 1개와 반쿼크 1개로 구성된다. 예를 들어:

• 바리온인 양성자는 업쿼크 2개와 다운쿼크 1개
• 바리온인 중성자는 업쿼크 1개와 다운쿼크 2개
• 중간자인 K 중간자는 스트레인지쿼크 1개와 반업쿼크 1개

5. 역사

5. 1. 다중 쿼크 입자

6. 어원

"쿼크"라는 이름은 제임스 조이스의 소설 《피네간의 경야(Finnegans Wake^영어)》에 나오는 다음 구절^[127]에서 인용한 것이다.

:

여기서 "쿼크"(quark^영어)는 액체의 단위인 쿼트를 변형한 것으로, 등장인물인 마크에게 술을 권하는 대목이다.

머레이 겔만은 자신이 만들어낼 용어의 철자에 대해 한동안 고민하다가 제임스 조이스의 1939년 작품 《피네간의 경야》에서 "quark"라는 단어를 발견했다.^[52] 겔만은 1994년 저서 《쿼크와 재규어》에서 쿼크라는 이름에 대해 다음과 같이 설명했다.^[61]

"1963년에 제가 핵자의 기본 구성 요소에 '쿼크'라는 이름을 붙였을 때, 저는 철자 없이 소리만 먼저 가지고 있었습니다. 그것은 'kwork'일 수도 있었습니다. 그러다가 제임스 조이스의 《피네간의 경야》를 가끔 읽던 중 '세 개의 쿼크, 무스터 마크를 위해'라는 구절에서 'quark'라는 단어를 발견했습니다. '쿼크'(갈매기의 울음소리 등을 의미함)는 분명 '마크', '짖다' 및 기타 그러한 단어와 운율을 이루도록 의도되었으므로, 저는 그것을 'kwork'로 발음해야 할 변명을 찾아야 했습니다. 하지만 그 책은 험프리 침프든 어위커라는 여관 주인의 꿈을 보여줍니다. 본문의 단어는 일반적으로 《거울 나라의 앨리스》의 '포트만토' 단어처럼 여러 출처에서 동시에 가져온 것입니다. 때때로 책에는 바에서 음료를 주문하는 소리가 부분적으로 결정하는 구절이 나타납니다. 따라서 저는 '세 개의 쿼크, 무스터 마크를 위해'라는 외침의 여러 출처 중 하나가 '세 쿼터, 미스터 마크를 위해'일 수도 있다고 주장했습니다. 그렇다면 'kwork'라는 발음이 완전히 부당한 것은 아닐 것입니다. 어쨌든 숫자 3은 쿼크가 자연에서 발생하는 방식에 완벽하게 맞았습니다."

조지 츠바이크는 자신이 이론화한 입자에 대해 "에이스"라는 이름을 선호했지만, 쿼크 모형이 일반적으로 받아들여지자 겔만의 용어가 두각을 나타내게 되었다.^[62]

7. 쿼크 물질의 다른 상

점근적 자유도 과정에서, 강한 상호작용은 온도가 증가함에 따라 약해진다. 결국, 색 가둠은 자유롭게 움직이는 쿼크와 글루온의 매우 뜨거운 플라스마에서 효과적으로 사라질 것이다. 이러한 이론적인 물질의 상을 쿼크-글루온 플라스마라고 한다.^[104] 이 상태를 만들어내는 데 필요한 정확한 조건은 알려지지 않았으며, 많은 추측과 실험의 대상이 되어 왔다. 필요한 온도는 켈빈으로 추정된다.^[105]

쿼크-글루온 플라스마는 위 쿼크와 아래 쿼크 쌍의 수에 비해 더 무거운 쿼크 쌍의 수가 크게 증가하는 특징을 가질 것이다. 빅뱅 후 10⁻⁶초 이전 시기(쿼크 시대)에는 온도가 너무 높아 하드론이 안정적일 수 없었기 때문에 우주가 쿼크-글루온 플라스마로 가득 차 있었을 것으로 여겨진다.^[108]

충분히 높은 바리온 밀도와 비교적 낮은 온도(아마도 중성자별에서 발견되는 온도와 비슷할 것이다)가 주어지면, 쿼크 물질은 약하게 상호 작용하는 쿼크의 페르미 액체로 퇴화될 것으로 예상된다. 이 액체는 색깔이 있는 쿼크 쿠퍼쌍의 응축을 특징으로 하며, 따라서 국소 SU(3)_c 대칭성을 깨뜨린다. 쿼크 쿠퍼쌍은 색 전하를 가지고 있기 때문에, 이러한 쿼크 물질의 상은 색 초전도성을 가질 것이다. 즉, 색 전하는 저항 없이 이를 통과할 수 있다.^[109]

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