기묘도
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1. 개요
기묘도는 입자 물리학에서 특정 입자들의 붕괴 현상을 설명하기 위해 도입된 양자수이다. 머레이 겔만과 니시지마 가즈히코가 처음 개념을 제시했으며, 하드론의 붕괴 속도 차이를 설명하는 데 사용되었다. 기묘도는 강력 상호작용과 전자기 상호작용에서는 보존되지만, 약력 상호작용에서는 보존되지 않는다. 기묘도는 스트레인지 쿼크의 수와 반 스트레인지 쿼크의 수의 차이로 정의되며, 중간자와 바리온의 분류에 활용된다.
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| 기묘도 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 위 쿼크 아래 쿼크 기묘 쿼크 charm 쿼크 bottom 쿼크 top 쿼크 |
| 기호 | S |
| 정의 | 특정 종류의 쿼크가 입자 내에 얼마나 들어있는지를 나타내는 양자수 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 강력과 전자기력에 의해 보존되지 않음 약력에 의해서만 붕괴될 수 있음 |
| 계산식 | S = -(n_s - n_s ̄) (여기서 n_s는 기묘 쿼크의 수, n_s ̄는 반기묘 쿼크의 수) |
| 관련 용어 | 초전하 아이소스핀 플레이버 |
2. 역사
머리 겔만과 니시지마 가즈히코는 케이온이나 하이퍼론이 가진 입자의 맛깔 중 하나인 기묘도를 도입했다. 이 입자들은 무거운 질량에 비해 매우 느리게 붕괴했기 때문에 기묘도라는 이름이 붙여졌다. 기묘도는 입자가 생성될 때는 보존되지만 붕괴할 때는 보존되지 않는다.[4][7]
기묘도는 강한 상호작용과 전자기 상호작용에서는 보존되지만, 약한 상호작용에서는 보존되지 않는다. 따라서 스트레인지 쿼크를 포함하는 가장 가벼운 입자는 강한 상호작용으로 붕괴될 수 없고, 약한 상호작용으로 붕괴한다. 약한 상호작용에서 기묘도는 +1, 0, -1만큼 변할 수 있다.[9]
머레이 겔만(1953년)과 니시지마 가즈히코(1955년)는 카온이나 하이페론과 같은 특정 입자가 입자 충돌에서 쉽게 생성되지만, 질량이 크고 생산 단면적이 큼에도 불구하고 예상보다 훨씬 느리게 붕괴되는 현상을 설명하기 위해 기묘도를 도입했다. 니시지마는 처음에 이 개념을 에타 전하, 나중에는 에타 중간자라고 불렀다. 이들은 충돌 시 항상 입자 쌍이 생성되는 것을 관찰하고, "기묘도"라는 새로운 보존량이 생성 동안 유지되지만 붕괴 시에는 보존되지 않는다고 가정했다.[8]
현대적 이해에 따르면, 기묘도는 강력 상호작용과 전자기 상호작용 동안 보존되지만, 약력 상호작용 동안에는 보존되지 않는다. 따라서 기묘 쿼크를 포함하는 가장 가벼운 입자는 강력 상호작용으로 붕괴될 수 없고, 대신 훨씬 느린 약력 상호작용을 통해 붕괴해야 한다. 대부분의 경우 붕괴는 기묘도의 값을 1 단위만큼 변경한다. 그러나 및 중간자의 혼합이 있는 2차 약 반응에서는 적용되지 않는다. 전체적으로 기묘도의 양은 약력 상호작용 반응에서 +1, 0 또는 −1로 변경될 수 있다(반응에 따라 다름).
예를 들어, K− 중간자와 양성자의 상호작용은 다음과 같다.
여기서 기묘도는 보존되며 상호작용은 강력한 핵력을 통해 진행된다.[9]
반면, 양의 카온의 붕괴와 같은 반응에서는 다음과 같다.
두 파이온 모두 기묘도가 0이므로, 이는 기묘도 보존을 위반하며, 반응이 약력을 통해 진행되어야 함을 의미한다.[9]
하드론이 소립자라고 생각되던 시절, 가속기나 우주선을 이용한 실험에서 새로운 입자가 잇따라 발견되었다. 이 입자들 중 특정 입자는 반드시 입자 - 반입자의 쌍으로 관측되었기 때문에, 미지의 물리 법칙이 작용하고 있다고 생각되었다. 그 중에서 발견된 K 중간자나 특정 하이페론과 같은 입자는 충돌에 의해 쉽게 만들어졌지만, 그들의 질량이나 반응 단면적에서 예측되는 것보다 붕괴 속도가 매우 느렸다. 이 현상은 붕괴 전후에 기존의 양자수 보존 법칙이 성립하지 않음을 의미했고, 이를 설명하기 위해 '기묘함(strangeness)'이라는 새로운 보존량(양자수)을 도입하게 되었다. 이 기묘함은 입자의 생성 반응에서는 보존되지만, 붕괴 반응에서는 보존''되지'' 않는다고 가정되었다.
기묘함은 강한 상호 작용과 전자기 상호 작용에서는 보존되지만, 약한 상호 작용에서는 보존되지 않는다. 이후 기묘함의 정체는 스트레인지 쿼크임이 밝혀졌고, 스트레인지 쿼크가 약한 상호 작용에 의해 붕괴될 때의 반응으로 설명할 수 있게 되었다.
처음에는 양전하를 가진 입자(K+)에 양의 기묘함이 할당되었다. 그 후, K+는 양전하를 가진 반 스트레인지 쿼크로 구성된다는 것이 밝혀졌고, 음전하를 가진 스트레인지 쿼크에는 음의 값 -1이 할당되었다. 관례적으로 모든 맛깔 양자수(기묘함, 참, 탑니스 및 바텀니스)는 쿼크의 전하와 같은 부호로 한다. 이로 인해, 하전 중간자가 가진 모든 맛깔은 그 전하와 같은 부호를 갖는다.
3. 기묘도 보존
예를 들어, K− 중간자와 양성자의 상호작용은 다음과 같다.
:K− + p → Ξ0 + K0
:(-1) + (0) → (-2) + (1)
여기서 기묘도는 보존되며 상호작용은 강한 핵력을 통해 진행된다.[9]
반면, 양의 카온 붕괴와 같은 반응에서는 다음과 같다.
:K+ → π+ + π0
:(+1) → (0) + (0)
두 파이온 모두 기묘도가 0이므로, 이는 기묘도 보존을 위반하며, 반응이 약력을 통해 진행되어야 함을 의미한다.[9]
대부분의 경우, 이러한 붕괴는 기묘도 값을 1 단위만 변화시킨다. 그러나, 및 중간자의 혼합이 있는 경우에는 반드시 성립하지 않는다.
3. 1. 기묘도 정의
기묘도(S)는 스트레인지 쿼크(s)의 수(''n''s)와 반 스트레인지 쿼크(s̄)의 수(''n''s̄)의 차이로 정의된다.
:
머리 겔만과 니시지마 가즈히코(西島 和彦|にしじま かず히코일본어)는 카온이나 하이페론과 같은 특정 입자들이 입자 충돌에서 쉽게 생성되지만, 질량이 크고 생산 단면적이 큼에도 불구하고 예상보다 훨씬 느리게 붕괴되는 현상을 설명하기 위해 기묘도를 도입했다. 이들은 "기묘도"라는 새로운 보존량이 생성 동안에는 유지되지만 붕괴 시에는 보존되지 않는다고 가정했다.[8]
3. 2. 중간자와 바리온 분류
중간자와 바리온은 기묘도(S)와 전하(Q)에 따라 분류할 수 있다.
참조
[1]
서적
The Quark Structure of Matter
https://www.worldsci[...]
World Scientific
[2]
논문
Review of Particle Physics
2018-08-17
[3]
논문
Strangeness Production in Heavy-Ion Collisions
[4]
논문
Isotopic Spin and New Unstable Particles
https://link.aps.org[...]
1953-11-01
[5]
논문
Some Remarks on the V -Particles
https://link.aps.org[...]
1952-06-01
[6]
논문
On the Baryon–meson–photon System
1953-10
[7]
논문
Charge Independence for V -particles
1953-11
[8]
서적
Introduction to elementary particles
Wiley
1987
[9]
웹사이트
The Nobel Prize in Physics 1968
https://www.nobelpri[...]
2020-03-15
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