맨위로가기

맛깔

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

맛깔은 양자장론에서 쿼크와 렙톤의 불변 질량과 전하를 설명하는 양자수를 변환하는 것을 의미한다. 맛깔 양자수는 쿼크와 렙톤의 특성을 나타내며, 아이소스핀, 기묘도, 매력, 바닥도, 탑도 등이 있다. 쿼크와 렙톤은 각각 맛깔 양자수를 가지며, 이들은 약한 상호작용을 제외한 전자기 상호작용과 강한 상호작용에 의해 보존된다. 맛깔 대칭은 동일한 상호작용을 하는 입자들을 교환할 수 있는 현상을 설명하며, 양자색역학에서 맛깔은 보존되는 전역 대칭이다. 맛깔 문제는 표준 모형 내 입자의 자유 매개변수가 왜 특정 값을 갖는지 설명하지 못하는 현상을 의미하며, 페르미온 질량과 혼합각의 조정 이유를 이해하는 것이 해결책이 될 것이다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 맛깔 - 전하
    전하는 물질의 기본 성질로서 다른 전하를 띤 물질과 전기적 힘을 주고받으며, 그 힘의 크기는 쿨롱의 법칙에 따라 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하며, 전하량은 기본 전하량의 정수배로 양자화되고, 전하 보존 법칙에 따라 고립계에서 총 전하량은 보존된다.
  • 맛깔 - 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.
  • 보존 법칙 - 각운동량
    각운동량은 회전 운동량을 나타내는 물리량으로, 질점의 경우 위치 벡터와 선운동량의 벡터곱으로 정의되며, 외부 토크가 없을 때 보존되고, 양자역학에서는 양자화되는 특성을 지닌다.
  • 보존 법칙 - 운동량
    운동량은 물체의 질량과 속도의 곱으로 정의되는 벡터량으로, 외부 힘이 작용하지 않는 계에서는 보존되며, 충돌, 충격량, 질량 변화, 상대론, 해석역학, 전자기학, 양자역학 등 다양한 역학 분야에서 중요한 물리량으로 다뤄진다.
  • 표준 모형 - 글루온
    글루온은 쿼크 사이의 색력을 전달하는 기본 입자로, 색전하를 지닌 벡터 보손이며, 양자색역학에 따라 8가지 종류가 존재하고, 쿼크와 상호작용하여 하드론을 형성하지만 색 가둠 현상으로 인해 자유롭게 관측되지는 않는다.
  • 표준 모형 - 자발 대칭 깨짐
    자발 대칭 깨짐은 물리 법칙은 특정 대칭성을 갖지만 계의 상태는 그렇지 않은 현상으로, 명시적 대칭성 깨짐과 대조되며 강자성체의 자발 자화, 힉스 메커니즘, 초전도 현상 등을 설명하는 데 사용된다.
맛깔
일반 정보
이름맛깔
유형소립자 속성
관련기본 입자
관련페르미온
관련쿼크
관련렙톤
속성
보존보존됨
설명표준 모형의 게이지 대칭
설명기본 입자의 종류를 구별
맛깔 양자수
종류아이소 스핀
종류기묘도
종류참
종류바닥 쿼크수
종류꼭대기 쿼크수

2. 맛깔 양자수

맛깔 양자수는 쿼크와 렙톤의 종류를 구별하는 양자수이다. 쿼크와 렙톤은 각각 6가지 종류가 있으며, 이들을 구별하기 위해 맛깔 양자수가 사용된다. 맛깔 양자수에는 전하, 아이소스핀, 기묘도, 매력, 바닥도, 탑도 등이 있다.[9][10][11]

약한 상호작용이 포함된 표준 모형이나 대통일 이론 등에서는 약 아이소스핀과 세대로 맛깔이 표현되기 때문에, 맛깔과 세대는 종종 구분 없이 사용된다.

양자 색역학에서는 맛깔 대칭성이 존재하여 맛깔 양자수가 보존량이 된다. 반면, 표준 모형의 전약력 이론에서는 이 대칭성이 깨져 쿼크와 렙톤의 붕괴가 일어난다. 렙톤의 세대별 맛깔 양자수는 표준 모형에서는 보존되지만, 중성미자 진동의 관측으로 인해 보존되지 않는다는 것이 밝혀졌다.

맛깔이라는 단어는 1968년 하드론의 쿼크 모형에서 처음 사용되었다. 쿼크 모형이 제창되었을 당시에는 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크를 구별하는 양자수로 도입되었으나, 이후 참 쿼크, 바닥 쿼크, 탑 쿼크가 발견되면서 쿼크와 렙톤의 종류를 가리키는 용어가 되었다.

강입자는 여러 쿼크로 구성되며, 중간자 및 중입자등이 이에 해당한다. 강입자의 맛깔 양자수는 각 구성 쿼크의 맛깔 양자수에 따라 달라진다.

2. 1. 렙톤

모든 렙톤은 렙톤 수 ''L'' = 1을 갖는다. 렙톤은 약한 아이소스핀 ''T''3을 가지며, 전하를 띤 세 렙톤(전자, 뮤온, 타우 입자)은 −1/2이고, 관련된 세 중성미자는 +1/2이다. ''T''3 부호가 반대인 하전 렙톤과 중성미자 쌍은 각각 렙톤의 한 세대를 구성한다.[1]

렙톤에는 여섯 가지 맛깔 양자수(전자수, 뮤온수, 타우수, 전자 중성미자수, 뮤온 중성미자수, 타우 중성미자수)를 부여할 수 있다. 이들은 강한 상호작용과 전자기 상호작용에서는 보존되지만, 약한 상호작용에서는 보존되지 않는다. 각 세대별 렙톤수(전자 렙톤수, 뮤온 렙톤수, 타우 렙톤수)는 표준 모형에서는 보존되지만, 중성미자 진동 때문에 보존되지 않는다. 중성미자 맛깔이 섞이는 정도는 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬 (PMNS 행렬)로 특정할 수 있다.

2. 2. 쿼크

모든 쿼크는 바리온수 ''B'' = 1/3을 갖는다. 또한, 약한 아이소스핀 ''T''3 = ±1/2을 갖는다. 양의 ''T''3 값을 갖는 쿼크(업, 참, 탑 쿼크)는 '업 타입 쿼크'라고 불리며, 음의 ''T''3 값을 갖는 쿼크(다운, 스트레인지, 바텀 쿼크)는 '다운 타입 쿼크'라고 불린다. 업 타입 및 다운 타입 쿼크의 각 쌍은 쿼크의 한 세대를 구성한다.

쿼크는 다음과 같은 맛(flavor) 양자수를 갖는다:

  • 아이소스핀: 업 쿼크에서 ''I''3 = 1/2, 다운 쿼크에서 ''I''3 = -1/2.
  • 스트레인지함 (''S''): 스트레인지 쿼크에서 -1. 머리 겔만에 의해 도입되었다.
  • 참 (''C''): 참 쿼크에서 +1.
  • 바닥 (''B''′): 바닥 쿼크에서 -1.
  • 탑 (''T''): 탑 쿼크에서 +1.


이 양자수들은 전자기 상호작용 및 강한 상호작용에서 보존되지만, 약한 상호작용에서는 보존되지 않는다. 이들로부터 다음과 같은 파생 양자수를 구성할 수 있다:

  • 초전하 (''Y''): ''Y'' = ''B'' + ''S'' + ''C'' + ''B''′ + ''T''
  • 전하: ''Q'' = ''I''3 + 1/2''Y'' (겔만-니시지마 공식 참조)


임의의 맛을 가진 쿼크는 해밀토니안의 약한 상호작용 부분의 고유 상태이므로, W 보손과 명확한 방식으로 상호작용한다. 반면, 고정 질량을 갖는 페르미 입자(해밀토니안의 운동 에너지 및 강한 상호작용 부분의 고유 상태)는 일반적으로 다양한 맛의 중첩이다. 그 결과, 어떤 양자 상태에 포함된 맛은 자유 전파 형태로 변화할 수 있다. 맛에서 쿼크 질량 기반으로의 변환은 카비보-고바야시-마스카와 행렬(CKM 행렬)로 주어진다. 이 행렬은 중성미자의 PMNS 행렬과 유사하게, 쿼크의 약한 상호작용에서 맛 변환의 강도를 정의한다.

CKM 행렬은 적어도 세 개의 세대가 존재하는 경우, CP 대칭성 깨짐을 허용한다.[1]

2. 3. 반입자와 강입자

반입자는 입자와 크기는 같지만 부호가 반대인 맛깔을 갖는다.[1] 강입자는 원자가 쿼크로부터 맛깔 양자수를 상속받는데, 이는 쿼크 모형의 분류 기초가 된다.[1] 하이퍼차지, 전하 및 기타 맛깔 양자수 간의 관계는 쿼크뿐만 아니라 강입자에도 적용된다.[1]

3. 맛깔 대칭

맛깔 대칭은 동일한 상호작용을 하는 입자들이 물리적 작용 없이 교환될 수 있는 성질을 말한다. 예를 들어, 동일한 상호작용을 하는 두 개 이상의 입자가 있다면, 이들은 물리 현상에 영향을 주지 않고 서로 교환될 수 있다. 이러한 입자들의 선형 결합은 서로 직교하는 한 동일한 물리 현상을 나타낸다.

이 이론은 M\left({u\atop d}\right)와 같은 대칭 변환을 갖는다. 여기서 ''u''와 ''d''는 두 개의 장을 나타내고, ''M''은 단위 행렬식을 갖는 임의의 2 × 2 유니타리 행렬이다. 이러한 행렬은 SU(2)(특수 유니타리 군)라고 불리는 리 군을 형성한다.

양자색역학(QCD)에서는 맛깔 대칭이 보존되지만, 전약 이론에서는 이 대칭이 깨진다. 쿼크 붕괴나 중성미자 진동과 같은 맛깔 변화 과정이 존재한다.

3. 1. 양자색역학에서의 맛깔 대칭

양자 색역학(QCD)은 여섯 가지 맛깔의 쿼크를 포함한다. 그러나 이들 쿼크의 질량은 서로 다르기 때문에 엄밀하게 대체될 수는 없다. 위 쿼크와 아래 쿼크는 거의 같은 질량을 가지며, 이 두 쿼크는 근사적인 SU(2) 대칭(아이소스핀 대칭)을 갖는다.[1]

어떤 상황에서는 쿼크의 질량이 매우 작아 무시할 수 있다. 이 경우, 각 쿼크 장의 왼쪽과 오른쪽 부분에 독립적으로 작용하는 맛깔 변환을 통해 근사적인 손지기 맛깔 대칭성 을 얻을 수 있다.[1]

만약 모든 쿼크가 0이 아닌 동일한 질량을 갖는다면, 이 손지기 대칭성은 쿼크의 양쪽 헬리시티에 동일한 변환을 적용하는 "대각 맛깔 그룹" 의 ''벡터 대칭성''으로 깨진다. 이러한 대칭성 감소는 ''명시적 대칭성 깨짐''의 한 형태이며, 명시적 대칭성 깨짐의 강도는 QCD의 현재 쿼크 질량에 의해 제어된다.[1]

쿼크가 질량이 없더라도, 이론의 진공이 키랄 응축물을 포함한다면 (저에너지 QCD에서 그렇듯이) 손지기 맛깔 대칭성은 자발적으로 깨질 수 있다. 이는 쿼크에 대한 유효 질량을 발생시키며, 이는 종종 QCD에서 원자가 쿼크 질량과 동일시된다.[1]

실험 분석에 따르면, 가벼운 맛깔의 쿼크의 현재 쿼크 질량은 QCD 스케일 ΛQCD보다 훨씬 작으므로, 손지기 맛깔 대칭은 위, 아래, 기묘 쿼크에 대한 QCD의 좋은 근사치이다. 손지기 섭동 이론과 더 단순한 손지기 모형의 성공은 이 사실에서 비롯된다. 쿼크 모형에서 추출한 원자가 쿼크 질량은 현재 쿼크 질량보다 훨씬 크다. 이는 QCD가 손지기 응축의 형성과 함께 자발적인 손지기 대칭 깨짐을 가지고 있음을 나타낸다. QCD의 다른 위상은 다른 방식으로 손지기 맛깔 대칭을 깰 수 있다.[1]

4. 보존 법칙

표준 모형에서 절대적으로 보존되는 양자수는 다음과 같다.



대통일 이론과 같은 일부 이론에서는 바리온수와 렙톤수가 개별적으로 보존되지 않을 수 있지만, 그 차이 (''B'' − ''L'')가 보존된다면 가능하다. (''키랄 이상 현상'' 참조).

강력 상호작용은 모든 맛깔을 보존하지만, 모든 맛깔 양자수는 전약 상호작용에서 깨진다. 전자기 상호작용에서는 다음의 맛깔 양자수만이 보존된다.

5. 역사

"맛깔"이라는 단어는 1968년 하드론의 쿼크 모형에서 처음 사용되었다. 쿼크 모형이 제창되었을 당시, 맛깔은 업, 다운, 스트레인지의 세 가지 쿼크를 구별하는 양자수였다. 그러나 이후 참 쿼크가 이론적으로 예상되고 실제로 발견되었으며, 바닥 쿼크와 탑 쿼크도 발견되었다. 이에 따라 맛깔은 양자수가 아니라 쿼크와 렙톤의 종류를 가리키는 용어가 되었다.

쿼크와 렙톤은 각각 6종류가 발견되었다. 쿼크에는 업, 다운, 스트레인지, 참, 바닥, 탑이 있으며, 이들은 각각 업-다운, 참-스트레인지, 탑-바닥 순서로 약 아이소스핀에 의한 짝을 이룬다[9][10]。 이 짝을 '''세대'''라고 하며, 업-다운 짝은 제1세대, 참-스트레인지 짝은 제2세대, 탑-바닥 짝은 제3세대이다[11]。

렙톤에는 전자, 뮤온, 타우 입자, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자의 6종류가 있으며, 이들은 각각 전자-전자 중성미자, 뮤온-뮤온 중성미자, 타우 입자-타우 중성미자 순서로 약 아이소스핀에 의한 짝을 이룬다。 쿼크와 마찬가지로 전자-전자 중성미자 짝은 제1세대, 뮤온-뮤온 중성미자 짝은 제2세대, 타우 입자-타우 중성미자 짝은 제3세대이다。

약한 상호작용이 포함된 표준 모형이나 대통일 이론 등에서는 약 아이소스핀과 세대로 맛깔을 표현하기 때문에, 맛깔과 세대를 구분 없이 사용하기도 한다.

양자 색역학에서는 맛깔 대칭성이 대국적 대칭성으로 존재하여 맛깔 양자수가 보존량이 된다. 반면, 표준 모형의 일부인 전약력 이론에서는 이 대칭성이 깨져 쿼크와 렙톤의 붕괴를 일으킨다. 렙톤의 세대에 관한 맛깔 양자수는 표준 모형에서는 보존되지만, 중성미자 진동 관측을 통해 보존되지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 이는 표준 모형을 확장해야 함을 보여주는 중요한 결과이다.

5. 1. 아이소스핀

베르너 하이젠베르크가 1932년 중성자와 양성자의 유사성을 설명하기 위해 아이소스핀 개념을 도입했다.[5] 중성자와 양성자는 질량이 거의 같고, 강한 상호작용을 한다는 공통점이 있다. 하이젠베르크는 이 두 입자를 핵자라는 하나의 입자로 묶고, 아이소스핀 이중항으로 분류했다.

핵자는 아이소스핀 이중항(스핀-1/2)으로 분류되며, 양성자와 중성자는 각각 아이소스핀 투영값 +1/2과 -1/2을 가진다. 파이온은 아이소스핀 삼중항(스핀-1)으로 분류된다.

아이소스핀은 위 쿼크와 아래 쿼크의 질량이 비슷하기 때문에 나타나는 근사적인 SU(2) 대칭이다.

5. 2. 기묘도와 초전하

스트레인지 입자와 같은 카오온의 발견은 강한 상호작용에 의해 보존되는 새로운 양자수, 즉 기묘도(또는 동등하게 초전하)로 이어졌다. 1953년에 확인된 겔만-니시지마 공식은 기묘도와 초전하를 아이소스핀 및 전하와 연관시킨다.[6]

5. 3. 팔정도와 쿼크 모형

머레이 겔만은 SU(3) 맛깔 대칭을 제안하고, 팔정도로 명명했다. 겔만은 위 쿼크, 아래 쿼크, 기묘 쿼크의 존재를 제안했다.[9][10]

5. 4. GIM 메커니즘과 참

1970년, 셸던 리 글래쇼, 요안니스 일리오풀로스, 루차노 마이아니는 관측된 향미 변화 중성 전류의 부재를 설명하기 위해 GIM 메커니즘을 제안했다.[7] 이는 참 쿼크를 도입하고 J/ψ 중간자를 예측했다. J/ψ 중간자는 1974년에 실제로 발견되었고, 이는 참 쿼크의 존재를 확인했다. 이 발견은 '11월 혁명'으로 알려져 있다. 참 쿼크와 관련된 향미 양자수는 '참'으로 알려지게 되었다.

5. 5. 바닥도와 탑도

고바야시 마스카와는 1973년에 CP 위반을 설명하기 위해 바닥 쿼크와 탑 쿼크를 예측했으며,[8] 이는 두 개의 새로운 맛 양자수인 ''바닥도''(bottomness)와 ''탑도''(topness)를 암시했다.

6. 맛깔 문제

맛깔 문제(맛깔 퍼즐이라고도 함)는 표준 모형 맛깔 물리학에서 표준 모형 내 입자들의 자유 매개변수 값, PMNS 및 CKM 행렬의 혼합각이 왜 특정한 값을 가지는지 설명하지 못하는 현상이다. 이러한 자유 매개변수, 즉 페르미온 질량과 혼합각은 특별히 조정된 것처럼 보인다. 맛깔 문제의 해결은 이러한 조정의 이유를 이해하는 것이다. 이 문제와 관련된 매우 근본적인 질문은 다음과 같다. 왜 세 개의 쿼크 (업-다운, 참-스트레인지, 톱-바텀 쿼크)와 렙톤 (전자, 뮤온 및 타우 중성미자) 세대가 존재하는가? 그리고 이러한 페르미온의 다양한 맛깔 간에 질량 및 혼합 계층 구조가 어떻게, 왜 발생하는가?[2][3][4]

참조

[1] 논문 Neutrino Masses: How to add them to the Standard Model http://theta13.lbl.g[...]
[2] 논문 Pieces of the Flavour Puzzle 2015-08
[3] 논문 Supersymmetry, Local Horizontal Unification, and a Solution to the Flavor Puzzle https://link.aps.org[...] 1999-09-27
[4] 논문 A clockwork solution to the flavor puzzle https://doi.org/10.1[...] 2018-10-16
[5] 논문 Über den Bau der Atomkerne
[6] 논문 Charge Independence Theory of V Particles
[7] 논문 Weak Interactions with Lepton–Hadron Symmetry
[8] 논문 CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction
[9] 문서
[10] 문서
[11] 문서
[12] 논문 Neutrino Masses: How to add them to the Standard Model http://theta13.lbl.g[...]


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com