반 (단위)

3. 어원

1 반( barn|반^영어)이라는 단위 명칭은 제2차 세계 대전 중 미국의 원자 폭탄 개발 계획인 맨해튼 계획 과정에서 유래했다.^[27] 당시 퍼듀 대학교에서 입자 가속기를 이용해 핵반응 단면적을 측정하던 미국의 물리학자 마셜 할로웨이와 찰스 P. 베이커는 1942년 12월, 연구 중 사용될 단면적 단위에 적절한 이름이 없다는 점을 논의하며 새로운 이름을 만들기로 했다.^[2]

처음에는 연구 분야의 저명한 과학자 이름을 따려고 했으나, 오펜하이머는 이름이 너무 길고, 베테는 그리스 문자 베타와 혼동될 수 있으며, 존 맨리는 이름('존')이 속어인 '변기'(john)를 연상시킨다는 이유로 제외되었다. 맨리의 이름에서 파생된 연상과 연구자 중 한 명의 시골 배경이 결합되어 '헛간'(barn)이라는 아이디어가 떠올랐다. 이는 특히 우라늄과 같이 핵반응을 잘 일으키는 원자핵의 단면적이 다른 원자핵에 비해 매우 크다는 점(as big as a barn^영어)을 비유적으로 나타내는 데 적절했다.^[2][23][24]

'반'이라는 명칭은 처음에는 핵 구조 연구, 즉 원자 폭탄 개발 연구 내용을 감추기 위한 암호명으로 고안되었다.^[27][21][22] 이 용어가 공식적으로 처음 등장한 것은 1943년 6월 말에 작성된 비밀 로스앨러모스 보고서로 알려져 있다.^[2] 전쟁이 끝난 후에도 이 명칭은 계속 관용적으로 사용되었고, 결국 핵물리학과 입자 물리학 분야에서 표준 단위로 자리 잡게 되었다.^[27][25][26]

4. 접두사와 사용되는 단위

반(barn, b) 단위에는 다양한 SI 접두어가 붙어 사용된다. 각 접두어에 따른 단위와 그 값은 다음과 같다.

반(b)의 단위 기호는 비트의 IEEE 표준 기호이기도 하므로, 예를 들어 1 Mb는 1 메가반 또는 1 메가비트를 의미할 수 있어 주의가 필요하다.

SI 단위계에서는 제곱 펨토미터(fm²)와 같은 단위를 사용할 수 있다. 반 단위에 가장 흔히 사용되는 SI 접두어는 펨토반(fb)이며, 이는 제곱 젭토미터(zm²)의 1/10과 같다. 특히 고에너지 물리학 분야의 많은 과학 논문에서는 펨토반(fb) 수준의 작은 단면적 값을 다룬다.

SI 단위와 반 단위 간의 변환 관계는 다음과 같다.

{| style="width:100%;"

| style="vertical-align:top; width:50%;" |

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|}

핵물리학에서 반응 단면적은 원자핵의 핵반응 발생 가능성을 나타내는 척도로, 면적의 차원을 가지므로 "단면적"이라고 불린다. 이는 핵반응을 유도하기 위해 입자를 쏘았을 때 원자핵이 얼마나 큰 "과녁"으로 작용하는지를 의미한다. 1 반(b)은 대략 우라늄 원자핵의 단면적과 비슷하여 핵물리학자들 사이에서 널리 사용된다.

한편, 번보다 훨씬 작은 단면적을 나타내기 위해 '셰드(shed)'라는 단위가 1940년대 후반부터 1950년대에 사용되기도 했다. 1 셰드는 10^-52 m² 이다.^[19] 또한 사극자 공명과 같이 '과녁' 개념과 직접적인 관련은 없지만, 그 값이 면적의 차원으로 표현되고 크기가 적절하여 번 단위가 유용하게 사용되는 경우도 있다.

5. 다른 단위와의 환산

계산된 단면적은 종종 기가전자볼트의 역제곱(GeV⁻²)으로 주어지며, 이는 ħ²c²/GeV² = 0.3894 mb = 38940 am²의 변환을 통해 이루어진다.

자연 단위계 (여기서 ħ = c = 1)에서는 이 관계가 GeV⁻² = 0.3894 mb = 38940 am²로 단순화된다.

SI 단위계에서는 제곱 펨토미터(fm²)와 같은 단위를 사용할 수 있다. 1 fm²는 10 mb과 같다. 반(단위)에 가장 흔히 사용되는 SI 접두어 단위는 펨토반(fb)으로, 제곱 젭토미터(zm²)의 1/10과 같다. 고에너지 물리학을 다루는 많은 과학 논문에서는 펨토반 수준의 분수를 언급한다.

핵물리학에서 반응 단면적은 원자핵의 핵반응 발생 가능성을 나타내는 척도로, 면적의 차원을 가지므로 "단면적"이라고 불린다. 즉, 핵반응을 일으키기 위해 입자를 조사할 때의 "과녁 크기"에 해당한다.

1 반(barn)은 대략 우라늄 원자핵의 단면적과 비슷하여 핵물리학자들 사이에서 널리 사용된다. 반보다 훨씬 작은 단면적을 나타내는 단위로 셰드(shed)가 1940년대 후반부터 1950년대에 사용되기도 했다. 1 셰드는 10^-52 m²이다.^[19]

한편, 사극자 공명에서는 위에서 언급한 "과녁" 개념과는 직접적인 관련이 없지만, 그 값이 면적의 차원으로 표현되고 크기가 적절하기 때문에 단위 반이 유용하게 사용된다.

6. 역펨토반 (fb⁻¹)

역펨토반(fb⁻¹)은 일반적으로 펨토반 단위의 입자 충돌 사건 단면적당 입자 충돌 사건의 수를 측정하는 데 사용되는 단위이며, 시간 적분 광도의 일반적인 단위이다. 따라서 검출기가 100 fb⁻¹의 적분 광도를 축적했다면, 이 데이터 내에서 단면적이 1 펨토반인 과정에 대해 100개의 사건이 발생할 것으로 예상할 수 있다.

두 개의 입자 흐름이 펨토반 단위로 측정된 단면적을 가지고 일정 기간 동안 충돌하도록 유도되는 입자 가속기를 생각해 볼 수 있다. 총 충돌 횟수는 이 시간 동안 측정된 충돌의 광도에 정비례한다. 따라서 충돌 횟수는 적분 광도에 해당 충돌 과정의 단면적 합을 곱하여 계산할 수 있다. 이 횟수는 시간 기간 동안 역 펨토반으로 표현된다(예: 9개월 동안 100 fb⁻¹). 역 펨토반은 종종 입자 충돌기 생산성의 지표로 인용된다.^[6][7]

페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)는 21세기 첫 10년 동안 10 fb⁻¹을 생산했다.^[8] 페르미랩의 테바트론은 2005년에 1 fb⁻¹에 도달하는 데 약 4년이 걸렸지만, CERN의 LHC 실험인 ATLAS와 CMS는 2011년에만 5 fb⁻¹ 이상의 양성자-양성자 충돌 데이터를 얻었다.^{[9][10][11][12][13][14]} 2012년 4월, LHC는 초당 6760 역 마이크로반(μb⁻¹)의 광도 피크로 8 TeV의 충돌 에너지를 달성했으며, 2012년 5월까지 LHC는 매주 각 검출기 협력에 1 fb⁻¹의 데이터를 제공했다. 2012년에는 23 fb⁻¹ 이상의 기록이 달성되었다.^[15] 2016년 11월 기준으로 LHC는 해당 연도에 40 fb⁻¹를 달성하여 25 fb⁻¹의 목표를 상당히 초과했다.^[16] 총 LHC의 두 번째 가동(Run 2)은 2015년부터 2018년까지 ATLAS와 CMS에 약 150 fb⁻¹을 전달했다.^[17]

간단한 예로, 만약 빔라인이 300 × 10³⁰ cm⁻²⋅s⁻¹의 순간적인 광도로 8시간(28,800초) 동안 작동한다면, 이 기간 동안 8,640,000 μb⁻¹ = 8.64 pb⁻¹ = 0.00864 fb⁻¹의 적분 광도에 해당하는 데이터를 수집하게 된다. 이 값을 특정 과정의 단면적(펨토반 단위)으로 곱하면 해당 과정에서 예상되는 사건의 수를 얻을 수 있다.

7. 국제단위계(SI)와의 관계

반 (단위)은 2019년 이전의 국제 단위계(SI) 문서 제8판(2006년판)에서는 "기타 비SI 단위"로 분류되었다. 이 단위를 사용할 경우에는 SI 단위와의 관계를 명확히 표시해야 했다.^[18]

그러나 2019년 이후의 국제 단위계(SI)에서는 더 이상 인정되지 않는 단위가 되었다.

일본의 계량법에서도 인정되지 않는 단위(비 법정 계량 단위)이기 때문에, 일본 내에서는 계량법상 거래·증명에 사용할 수 없다.

참조

_[1] 웹사이트 Non-SI units accepted for use with the SI, and units based on fundamental constants http://www.bipm.org/[...] International Bureau of Weights and Measures 2006-05
_[2] 간행물 Note on the origin of the term 'barn' https://permalink.la[...]
_[3] 웹사이트 Units: S http://www.unc.edu/~[...] University of North Carolina at Chapel Hill 2004-09-01
_[4] 서적 Dictionary of Jargon https://books.google[...] Routledge Kegan & Paul 1987-12
_[5] 웹사이트 Glossary http://www.nucleargl[...] Scientific Digital Visions, Inc
_[6] 뉴스 Understanding luminosity through 'barn', a unit that helps physicists count particle events http://news-service.[...] Stanford News Service 2004-07-21
_[7] 웹사이트 PEP-II's luminous life http://www2.slac.sta[...] SLAC 2004-04-16
_[8] 웹사이트 10 Inverse Femtobarns: Celebration Time At Fermilab! http://www.science20[...] Science20.com 2010-12-12
_[9] 웹사이트 What will we do with all this data? http://www.quantumdi[...] Pauline Gagnon, Quantum Diaries 2011-10-17
_[10] 웹사이트 CDF, DZero reach 5 inverse femtobarns of luminosity http://www.fnal.gov/[...] Fermilab Today 2008-09-26
_[11] 웹사이트 LHC experiments reach record data milestone http://www.symmetrym[...] Symmetry magazine 2011-06-17
_[12] 웹사이트 Thanks to recent fine tuning, the LHC has delivered 2 inverse femtobarns of data already this year; peak luminosity is now over 2x10^33. https://twitter.com/[...] CERN 2011-08-05
_[13] 웹사이트 LHC Report: 2 inverse femtobarns! http://cdsweb.cern.c[...] CERN Bulletin 2011-08-05
_[14] 웹사이트 LHC proton run for 2011 reaches successful conclusion http://www.interacti[...] CERN Press Office 2011-10-31
_[15] 웹사이트 LHC luminosity plots http://lpc.web.cern.[...] CERN 2012-12-17
_[16] 웹사이트 LHC smashes targets for 2016 run {{!}} CERN http://home.cern/abo[...]
_[17] 웹사이트 LHC Report: The final days of Run 2 {{!}} CERN https://home.cern/ne[...]
_[18] 웹사이트 国際単位系 (SI) 日本語版 https://web.archive.[...] 独立行政法人産業技術総合研究所 計量標準総合センター 2021-05-14
_[19] 문서 Barn https://www.orau.org[...]
_[20] 문서 Charles P. Baker Co-Head of the Fat Man Pit Team, Tinian Island https://www.atomiche[...]
_[21] 문서 原子核および放射線に関する単位の起源 (16-02-01-06) https://atomica.jaea[...]
_[22] 문서 How the barn was born https://physicstoday[...]
_[23] 문서 アメリカの慣用句"couldn't hit the broad side of a barn"（納屋の広い面にも当たらない）は、射撃の腕が非常に悪いことを指す。
_[24] 웹사이트 The Big Apple: "Can't hit the broad side of a barn" (baseball saying) https://www.barrypop[...] 2021-05-11
_[25] 저널 Signal to Background http://www.symmetrym[...] 2006-02
_[26] 웹사이트 Cross Section http://ed.fnal.gov/p[...] Fermilab Science Education Office
_[27] 저널 http://www.symmetrym[...] 2012-09-09