X와 Y보손

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1. 개요
2. X보손과 Y보손
3. 양성자 붕괴
참조

1. 개요

X 보손과 Y 보손은 대통일 이론에서 예측되는 게이지 보손으로, 쿼크와 렙톤을 변환시키는 상호작용을 매개하며 매우 큰 질량을 갖는다. X 보손은 아이소스핀 +0.5, Y 보손은 아이소스핀 -0.5를 가지며, 쿼크를 렙톤과 연결하여 바리온 수를 깨뜨려 양성자 붕괴를 가능하게 한다. X 보손과 Y 보손의 붕괴 과정에서는 렙톤 수와 바리온 수가 개별적으로 보존되지 않지만, B-L은 보존된다. 이러한 붕괴 과정은 바리온 생성을 설명할 수 있으며, 양성자 붕괴를 일으킬 수 있다.

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X와 Y보손
입자 정보
이름	X^± 및 Y^± 보손
종류 수	12
구성	기본 입자
통계	보손
그룹	게이지 보손
상호작용	해당 없음
입자	해당 없음
반입자	해당 없음
상태	가설적
이론화	해당 없음
발견	해당 없음
기호	해당 없음
질량	≈ 10¹⁵ GeV/c²
평균 수명	해당 없음
붕괴 입자	X: 두 개의 쿼크, 또는 하나의 반쿼크와 하나의 전하를 띤 반렙톤 Y: 두 개의 쿼크, 또는 하나의 반쿼크와 하나의 전하를 띤 반렙톤, 또는 하나의 반쿼크와 하나의 반중성미자
전하	X: ± e Y: ± e
약한 아이소 스핀 3	X: ± Y: ∓
B-L	±
X 전하	0
색 전하	삼중항 또는 반삼중항
스핀	1
약한 초전하	±
스핀 상태 수	3
관련 정보
참고 문헌	Ta-Pei Cheng 및 Ling-Fong Li, Gauge Theory of Elementary Particle Physics, 옥스포드 대학교 출판부, 1983, ISBN 0-19-851961-3. http://www.hyper-k.org/en/physics/phys-protondecay.html H. Georgi, S. L. Glashow, Unity of All Elementary Particle Forces, Phys. Rev. Lett. 32, 438-441 (1974).

2. X보손과 Y보손

X보손과 Y보손은 게오르기-글래쇼 모형과 같은 대통일 이론에서 등장하는 게이지 보손이다. 이들은 매우 큰 질량을 가지며, 쿼크와 렙톤을 서로 변환시키는 상호작용을 매개하여 양성자 붕괴를 일으킬 수 있다.^[1]

X 보손과 Y 보손은 쿼크를 렙톤과 연결하여 바리온 수를 깨뜨린다. 이들은 SU(5)의 수반 '''24''' 표현의 일부로 정의된다.

2. 1. 정의

X보손은 스핀 1, 아이소스핀 +1/2인 입자이며, Y보손은 스핀 1, 아이소스핀 -1/2인 입자이다. 이들은 SU(5) 대통일군에서 24차원 표현의 일부로 나타난다. X보손은 +4/3e, Y보손은 +1/3e의 전하를 갖는다.^[5]

양전하를 띤 X와 Y는 반색전하(두 개의 서로 다른 일반 색전하를 가짐과 동일)를 가지며, 음전하를 띤 X와 Y는 일반 색전하를 가진다. Y 보손의 약한 아이소스핀 부호는 항상 전하 부호와 반대이다. X 보손은 색 지수와 약한 아이소스핀-업 지수 사이를, Y 보손은 색 지수와 약한 아이소토스핀-다운 지수 사이를 회전한다.

2. 2. 붕괴

X보손은 업 쿼크 두 개나 양전자와 반다운 쿼크로 붕괴한다. Y보손은 양전자와 반업 쿼크, 다운 쿼크와 업 쿼크, 또는 반다운 쿼크와 반전자 중성미자로 붕괴한다.^[1] 이러한 붕괴 과정에서 렙톤 수(L)와 바리온 수(B)는 보존되지 않지만, B-L은 보존된다. X보손과 그 반입자의 붕괴 비율 차이는 초기 우주의 바리온 생성을 설명하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. (이는 K 중간자의 경우와 유사하다.)^[5]

2. 2. 1. 붕괴 모드

X보손은 업 쿼크 두 개 또는 양전자와 반다운 쿼크로 붕괴한다.^[5] Y보손은 양전자와 반업쿼크, 다운 쿼크와 업 쿼크 또는 반다운 쿼크와 반전자중성미자로 붕괴한다.^[5]

X 보손과 Y 보손의 붕괴 과정은 다음과 같다.^[5]

$X^{+4/3} \to u^{+2/3} + u^{+2/3}$
$X^{+4/3} \to e^+ + d^{+1/3}$
$X^{+4/3} \to d^{+1/3} + e^+$
$Y^{+1/3} \to d^{-1/3} + u^{+2/3}$
$Y^{+1/3} \to e^+ + u^{-2/3}$
$Y^{+1/3} \to d^{+1/3} + \bar{\nu}$

여기서, 각 반응에서 생성된 두 입자는 서로 반대 카이랄리티를 갖는다. 첫 번째 생성물은 왼손형이고, 두 번째 생성물은 오른손형이다. u^+2/3는 업 쿼크, u^-2/3는 반업 쿼크, d^-1/3은 다운 쿼크, d^+1/3은 반다운 쿼크, e⁺는 양전자, ν는 반전자 중성미자이다. 다른 세대의 쿼크와 렙톤에 대해서도 비슷한 붕괴 생성물이 존재한다.

2. 3. 기원

X 보손과 Y 보손은 SU(5)의 수반 '''24''' 표현의 마지막 두 항의 여섯 개의 성분과 여섯 개의 성분으로 정의되며, 이는 표준 모형의 군 아래에서 다음과 같이 변환된다.

:

\mathbf{24}\rightarrow (8,1)_0\oplus (1,3)_0\oplus (1,1)_0\oplus (3,2)_{-\frac{5}{6}}\oplus (\bar{3},2)_{\frac{5}{6}}.

양전하를 띤 X와 Y는 반색전하를 가지며 (두 개의 서로 다른 일반 색전하를 가짐과 동일), 음전하를 띤 X와 Y는 일반 색전하를 가진다. Y 보손의 약한 아이소스핀 부호는 항상 전하 부호와 반대이다.

\mathbb{C}^5,

에 대한 작용 측면에서 X 보손은 색 지수와 약한 아이소스핀-업 지수 사이를 회전하고, Y 보손은 색 지수와 약한 아이소스핀-다운 지수 사이를 회전한다.

3. 양성자 붕괴

X 보손과 Y 보손은 쿼크를 렙톤과 연결하고, 바리온 수를 깨뜨려 양성자 붕괴를 가능하게 한다.^[5]

X 보손과 Y 보손은 다음과 같은 붕괴 과정을 가진다.^[5]

$X^{+4/3} \to u^{+2/3} + u^{+2/3}$
$X^{+4/3} \to e^+ + d^{+1/3}$
$X^{+4/3} \to d^{+1/3} + e^+$
$Y^{+1/3} \to d^{-1/3} + u^{+2/3}$
$Y^{+1/3} \to e^+ + u^{-2/3}$
$Y^{+1/3} \to d^{+1/3} + \bar{\nu}$

여기서, 각각의 과정에 대한 두 붕괴 생성물은 서로 반대의 카이랄리티를 가지며, 첫 번째 붕괴 생성물은 왼손형, 두 번째 붕괴 생성물은 오른손형이다. u^+2/3는 업 쿼크, u^-2/3는 반업 쿼크, d^-1/3은 다운 쿼크, d^+1/3은 반다운 쿼크, e⁺는 양전자, ν는 반전자 중성미자이다. 다른 세대에서도, 비슷한 붕괴 생성물이 존재한다.

이러한 반응에서는 렙톤 수 (L)도 바리온 수 (B)도 보존되지 않지만, 그 차이 B-L은 보존된다. X 보손과 그 반입자의 분기비 차이에 의해, 바리온 생성이 설명될 수 있다고 기대되고 있다.

참조

_[1] 서적 Gauge Theory of Elementary Particle Physics Oxford University Press
_[2] 웹사이트 Proton Decay Searches: Hyper-Kamiokande http://www.hyper-k.o[...] 2020-09-22
_[3] 간행물 Unity of All Elementary Particle Forces
_[4] 문서 Cheng, Li (1983)
_[5] 문서 Cheng, Li (1983)
_[6] 서적 Gauge Theory of Elementary Particle Physics Oxford University Press

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