중입자 생성

3. 사하로프 조건

안드레이 사하로프는 1967년에 중입자 비대칭 생성을 위해 필요한 세 가지 조건을 제시했다.^[10][30] 이를 사하로프 조건이라고 부르며, 내용은 다음과 같다.

• 바리온 수 ($B$) 위반.
• C 대칭 및 CP 대칭 위반.
• 열적 평형 밖의 상호작용.

3. 1. 표준 모형과 중입자 생성

3. 2. 대통일 이론 (GUT)과 중입자 생성

• 바리온 수 ($B$) 위반
• C 대칭성과 CP 대칭성 위반
• 비열평형 상호 작용

4. 우주의 물질 구성

우주에 존재하는 대부분의 일반적인 물질은 원자핵 안에 있으며, 원자핵은 중성자와 양성자로 구성된다. 이들은 쿼크라는 더 작은 입자로 구성되어 있으며, 각 쿼크에 대한 반물질 대응물(반쿼크)은 1928년 디랙 방정식에 의해 존재가 예측되었다.^[8] 이후 각 종류의 반쿼크가 실험적으로 확인되었다. 빅뱅 초기 우주 가설에 따르면 쿼크와 반쿼크는 거의 동일한 수를 가지고 있었다.^[9] 우주가 팽창하여 약 2,000의 임계 온도로 냉각되자,^[3] 쿼크는 정상 물질과 반물질로 결합하여 약 50억 분의 1 정도의 작은 초기 물질-반물질 비대칭성까지 소멸하며, 우리 주변의 물질을 남겼다.^[3] 자유롭고 분리된 개별 쿼크와 반쿼크는 실험에서 관찰된 적이 없으며, 쿼크와 반쿼크는 항상 세 개 그룹(중입자)으로 발견되거나 쿼크-반쿼크 쌍(중간자)으로 묶여 있다. 마찬가지로, 관측 가능한 우주에 반물질이 상당한 농도로 존재한다는 실험적 증거는 없다.

이러한 불일치에 대한 두 가지 주요 해석이 있다. 우주가 물질을 약간 선호하는 상태로 시작되었거나(우주의 총 중입자수가 0이 아닌 경우), 또는 우주가 원래 완벽하게 대칭적이었지만 어떤 현상이 시간이 지남에 따라 물질에 유리한 작은 불균형을 초래했다는 것이다. 두 번째 관점이 선호되지만, 어느 것이 정확한지 명확하게 나타내는 실험적 증거는 없다.

중입자 비대칭성은 우주 배경 복사의 광자 수에 대한 중입자 수의 비율(η)로 정량화할 수 있다. 이 값은 매우 작지만, 0이 아니라는 사실은 초기 우주에서 물질이 반물질보다 약간 더 많이 생성되었음을 의미한다.

4. 1. 중입자 비대칭성 매개변수

5. 암흑 물질과의 연관성 (Ongoing research efforts)

최근 연구에서는 중입자 생성과 암흑 물질 간의 연관성을 탐구하고 있다. B 중간자와 같은 입자의 붕괴가 암흑 물질과 중입자를 동시에 생성할 수 있다는 가설이 제시되었으며, 이는 실험적으로 검증 가능한 예측을 제공한다.

B-factory (Belle, BaBar) 실험은 이러한 B 중간자 붕괴를 검출하는데 민감하며, 현재 진행 중이거나 앞으로 있을 실험에서 중입자 생성과 암흑 물질의 연관성에 대한 단서를 얻을 수 있다.^[25][26] LHC는 Belle 또는 BaBar보다 더 많은 B-중간자를 생성하여 이 상호 작용을 탐색할 수 있지만, 가속기에서 B-중간자 초기 에너지에 대한 통제력이 감소하여 어려움이 있다.^[22]

이러한 현상은 초기 우주에서 B-중간자와 같은 입자가 현재 관측 기술로는 보이지 않는 암흑 반중입자뿐만 아니라 가시적인 표준 모형 중입자로 붕괴될 수 있음을 시사한다.^[22] 이 과정은 대폭발 핵합성 이전 초기 우주에 존재하는 질량이 크고 수명이 긴 스칼라 입자 $\backslash Phi$를 가정하는 것으로 시작한다.^[23]

참조

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_[3] 서적 An Introduction to Modern Cosmology. https://www.worldcat[...] Wiley 2015-01-01
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_[9] 서적 Particle and astroparticle physics CRC Press 2007-01-01
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_[23] 논문 Baryogenesis and Dark Matter from $B$ Mesons 2019-02-20
_[24] 논문 Review of Particle Physics 2018-08-17
_[25] 논문 Search for $B\ensuremath{\rightarrow}{K}^{\mathbf{(}*\mathbf{)}}\ensuremath{\nu}\overline{\ensuremath{\nu}}$ and invisible quarkonium decays 2013-06-05
_[26] 논문 Search for $B\ensuremath{\rightarrow}{h}^{(*)}\ensuremath{\nu}\overline{\ensuremath{\nu}}$ with the full Belle $\ensuremath{\Upsilon}(4S)$ data sample 2013-06-27
_[27] 논문 Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry 2010-01-01
_[28] 논문 The Quantum Theory of the Electron
_[29] 서적 Particle and astroparticle physics CRC Press 2007-01-01
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_[31] 논문 A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s
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_[36] 논문 Symmetry breaking through Bell-Jackiw anomalies 1976
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