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중입자

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입자물리학에서 중입자(baryon)는 홀수 개(관습적으로 3개)의 가전 쿼크를 포함하는 아원자 입자의 한 종류인 복합 입자이다.[1] 양성자와 중성자가 중입자의 예시이다. 중입자는 쿼크로 구성되어 있기 때문에 입자 가족 중 강입자에 속한다. 중입자는 또한 반정수 스핀을 가지기 때문에 페르미온으로 분류된다.

아브라함 파이스가 도입한 "중입자"라는 이름은[2][3] "무겁다"는 뜻의 고대 그리스어 단어(βαρύς, barýs)에서 유래했는데, 명명 당시 알려진 대부분의 기본 입자들이 중입자보다 질량이 작았기 때문이다. 각 중입자는 대응하는 반입자(반중입자)를 가지며, 여기서는 대응하는 반쿼크가 쿼크를 대체한다. 예를 들어, 양성자는 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 이루어져 있으며, 그에 대응하는 반입자인 반양성자는 두 개의 위 반쿼크와 하나의 아래 반쿼크로 이루어져 있다.

중입자는 중간자로 알려진 입자에 의해 매개되는 잔류 강한 핵력에 참여한다. 가장 잘 알려진 중입자는 양성자와 중성자이다. 이 입자들은 우주에서 관측 가능한 물질 질량의 대부분을 차지하며 모든 원자의 원자핵을 구성한다. (원자의 다른 주요 구성 요소인 전자는 렙톤이라는 다른 입자 가족의 구성원이며, 렙톤은 강한 핵력을 통해 상호작용하지 않는다.) 다섯 개의 쿼크를 포함하는 별난 중입자인 펜타쿼크 또한 발견되어 연구되고 있다.

우주 중입자의 조사에 따르면, 그 중 10%는 은하 내부에서 발견될 수 있고, 50%에서 60%는 은하 주변 매질에 존재하며,[4] 나머지 30%에서 40%는 온-고온 성간 매질(WHIM)에 위치할 수 있다.[5]

배경

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중입자는 강하게 상호작용하는 페르미온이다. 즉, 강한 핵력의 작용을 받으며 파울리 배타 원리를 따르는 모든 입자에 적용되는 페르미-디랙 통계로 설명된다. 이는 배타 원리를 따르지 않는 보손과 대조된다.

중입자는 중간자와 함께 쿼크로 구성된 복합 입자인 강입자이다. 쿼크는 B = ⁠1/3⁠의 중입자수를 가지며 반쿼크는 B = −⁠1/3⁠의 중입자수를 가진다. "중입자"라는 용어는 보통 3쿼크, 즉 세 개의 쿼크로 만들어진 중입자(B = ⁠1/3⁠ + ⁠1/3⁠ + ⁠1/3⁠ = 1)를 의미한다.

네 개의 쿼크와 하나의 반쿼크로 만들어진 펜타쿼크(B = ⁠1/3⁠ + ⁠1/3⁠ + ⁠1/3⁠ + ⁠1/3⁠ − ⁠1/3⁠ = 1)와 같은 다른 별난 중입자들도 제안되었지만,[6][7] 그 존재가 일반적으로 받아들여지지는 않았다. 입자물리학계 전체적으로 2006년에는 그 존재 가능성을 낮게 보았고,[8] 2008년에는 보고된 펜타쿼크의 존재에 반하는 증거가 압도적이라고 간주했다.[9] 그러나 2015년 7월, LHCb 실험에서 Λ0
b → J/ψK−
p 붕괴에서 펜타쿼크 상태와 일치하는 두 개의 공명 상태를 관찰했으며, 이는 15σ의 결합 통계적 유의성을 가졌다.[10][11]

이론적으로는 헵타쿼크(쿼크 5개, 반쿼크 2개), 노나쿼크(쿼크 6개, 반쿼크 3개) 등도 존재할 수 있다.

중입자 물질

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일상생활에서 마주하거나 경험할 수 있는 거의 모든 물질은 원자를 포함하는 중입자 물질이며, 이는 물질에 질량이라는 성질을 부여한다. 비중입자 물질은 이름에서 알 수 있듯이 주로 중입자로 구성되지 않은 모든 종류의 물질을 말한다. 여기에는 중성미자와 자유 전자, 암흑물질, 초대칭 입자(초대칭짝), 액시온, 그리고 블랙홀이 포함될 수 있다.

중입자의 존재 자체는 우주론에서 중요한 문제인데, 빅뱅이 중입자와 반중입자를 같은 양으로 생성한 상태를 만들었다고 가정하기 때문이다. 중입자가 그들의 반입자보다 수적으로 우세해지게 된 과정을 중입자 생성이라고 한다.

중입자 생성

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실험 결과는 우주의 쿼크 수가 반중입자를 음의 양으로 계산할 때 전체 중입자수와 함께 보존된다는 사실과 일치한다.[12] 입자물리학의 지배적인 표준 모형 내에서 중입자의 수는 스팔레론(sphaleron)의 작용으로 인해 3의 배수로 변할 수 있지만, 이는 매우 드물며 실험적으로 관찰되지 않았다. 일부 입자물리학의 대통일 이론은 또한 단일 양성자가 붕괴하여 중입자수를 1만큼 변화시킬 수 있다고 예측하지만, 이 역시 아직 실험적으로 관찰되지 않았다. 현재 우주에서 반중입자보다 중입자가 과잉된 현상은 초기 우주에서 중입자수의 비보존 때문인 것으로 생각되나, 그 과정은 아직 명확히 이해되지 않았다.

성질

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아이소스핀과 전하

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u, d, s 쿼크 3개의 조합으로 스핀-⁠3/2⁠ 중입자를 형성하는 uds 중입자 십중태
u, d, s 쿼크 3개의 조합으로 스핀-⁠1/2⁠ 중입자를 형성하는 uds 중입자 팔중태

아이소스핀 개념은 1932년 베르너 하이젠베르크가 강한 상호작용 하에서 양성자와 중성자의 유사성을 설명하기 위해 처음 제안했다.[13][14][15] 비록 전기 전하는 달랐지만 질량이 매우 비슷하여 물리학자들은 이들이 같은 입자라고 믿었다. 서로 다른 전기 전하는 스핀과 유사한 어떤 알려지지 않은 흥분 상태의 결과로 설명되었다. 이 알려지지 않은 흥분 상태는 1937년 유진 위그너에 의해 아이소스핀이라 명명되었다.[16]

이 믿음은 1964년 머리 겔만이 (원래 u, d, s 쿼크만 포함하는) 쿼크 모형을 제안할 때까지 지속되었다.[1] 아이소스핀 모델의 성공은 이제 u 쿼크와 d 쿼크의 유사한 질량의 결과임이 이해되고 있다. u와 d 쿼크는 질량이 비슷하므로, 같은 수의 쿼크로 만들어진 입자들 또한 질량이 비슷하다. 정확하고 구체적인 u와 d 쿼크의 구성이 전하를 결정하는데, u 쿼크는 +⁠2/3⁠의 전하를 가지는 반면 d 쿼크는 −⁠1/3⁠의 전하를 가지기 때문이다. 예를 들어, 4개의 델타 중입자는 모두 다른 전하(
Δ++
 (uuu),
Δ+
 (uud),
Δ0
 (udd),
Δ−
 (ddd))를 갖지만, 각각 세 개의 u 또는 d 쿼크의 조합으로 만들어졌기 때문에 비슷한 질량(~1,232 MeV/c2)을 가진다. 아이소스핀 모델 하에서 이들은 서로 다른 전하 상태에 있는 단일 입자로 간주되었다.

아이소스핀의 수학적 모델은 스핀의 모델을 본떠 만들어졌다. 아이소스핀 투영은 스핀과 마찬가지로 1씩 변하며, 각 투영에는 "전하 상태"가 연관되었다. "델타 입자"는 4개의 "전하 상태"를 가졌으므로 아이소스핀 I = ⁠3/2⁠라고 불렸다. 그 "전하 상태"인
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
,
Δ−
는 각각 아이소스핀 투영 I3 = +⁠3/2⁠, I3 = +⁠1/2⁠, I3 = −⁠1/2⁠, I3 = −⁠3/2⁠에 대응했다. 또 다른 예는 "핵자 입자"이다. 두 개의 핵자 "전하 상태"가 있었으므로 아이소스핀 ⁠1/2⁠라고 불렸다. 양의 핵자
N+
 (양성자)는 I3 = +⁠1/2⁠로, 중성 핵자
N0
 (중성자)는 I3 = −⁠1/2⁠로 식별되었다.[17] 나중에 아이소스핀 투영은 다음과 같은 관계에 의해 입자의 위 및 아래 쿼크 함량과 관련이 있음이 밝혀졌다.

여기서 n은 위 및 아래 쿼크와 반쿼크의 수이다.

"아이소스핀 그림"에서 4개의 델타와 2개의 핵자는 두 입자의 서로 다른 상태로 생각되었다. 그러나 쿼크 모델에서 델타는 핵자의 다른 상태이다(N++ 또는 N−는 파울리 배타 원리에 의해 금지된다). 아이소스핀은 비록 사물에 대한 부정확한 그림을 전달하지만, 여전히 중입자를 분류하는 데 사용되어 부자연스럽고 종종 혼란스러운 명칭을 낳고 있다.

맛깔 양자수

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기묘도 맛깔 양자수 S(스핀과 혼동하지 말 것)는 입자 질량과 함께 오르내리는 것이 관찰되었다. 질량이 높을수록 기묘도는 낮았다(s 쿼크가 많음). 입자는 아이소스핀 투영(전하 관련)과 기묘도(질량)로 설명될 수 있었다(오른쪽의 uds 팔중태 및 십중태 그림 참조). 다른 쿼크들이 발견되면서 udc 및 udb 팔중태와 십중태를 유사하게 설명하기 위해 새로운 양자수들이 만들어졌다. 오직 u와 d의 질량만이 유사하기 때문에, 아이소스핀과 맛깔 양자수에 의한 입자 질량 및 전하의 이러한 설명은 오직 하나의 u, 하나의 d 및 하나의 다른 쿼크로 만들어진 팔중태와 십중태에 대해서만 잘 작동하며, 다른 팔중태와 십중태(예를 들어 ucb 팔중태 및 십중태)에서는 무너진다. 만약 쿼크들이 모두 같은 질량을 가졌다면, 그들은 모두 강한 상호작용에 대해 같은 방식으로 행동할 것이므로 그들의 행동은 대칭적이라고 불렸을 것이다. 쿼크들은 같은 질량을 갖지 않기 때문에 같은 방식으로 상호작용하지 않으며(마치 전기장에 놓인 전자가 같은 장에 놓인 양성자보다 가벼운 질량 때문에 더 많이 가속되는 것과 같다), 이 대칭은 깨진 대칭이라고 불린다.

전하(Q)는 겔만-니시지마 공식에 의해 아이소스핀 투영(I3), 중입자수(B) 및 맛깔 양자수(S, C, B′, T)와 관련이 있음이 밝혀졌다.[17]

여기서 S, C, B′, T는 각각 기묘도, 맵시, 바닥도, 꼭대기도 맛깔 양자수를 나타낸다. 이들은 기묘, 맵시, 바닥, 꼭대기 쿼크 및 반쿼크의 수와 다음과 같은 관계를 가진다.

이는 겔만-니시지마 공식이 쿼크 함량 측면에서의 전하 표현과 동일함을 의미한다.

스핀, 궤도 각운동량 및 총 각운동량

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스핀(양자수 S)은 입자의 "고유한" 각운동량을 나타내는 벡터량이다. 이는 ⁠1/2⁠ ħ 단위로 나타난다. ħ는 스핀의 "기본" 단위이기 때문에 종종 생략되며, "스핀 1"은 "스핀 1 ħ"를 의미하는 것으로 암시된다. 일부 자연단위계에서는 ħ를 1로 선택하므로 어디에도 나타나지 않는다.

쿼크는 스핀 ⁠1/2⁠(S = ⁠1/2⁠)를 가진 페르미온 입자이다. 스핀 투영은 1씩 변하기 때문에(즉, 1 ħ), 단일 쿼크는 길이 ⁠1/2⁠의 스핀 벡터를 가지며, 두 개의 스핀 투영(Sz = +⁠1/2⁠ 및 Sz = −⁠1/2⁠)을 가진다. 두 개의 쿼크는 스핀이 정렬될 수 있으며, 이 경우 두 스핀 벡터가 더해져 S = 1 길이의 벡터와 세 개의 스핀 투영(Sz = +1, Sz = 0, Sz = −1)을 만든다. 만약 두 쿼크의 스핀이 정렬되지 않으면, 스핀 벡터가 더해져 S = 0 길이의 벡터를 만들고 단 하나의 스핀 투영(Sz = 0)을 가지는 식이다. 중입자는 세 개의 쿼크로 만들어지기 때문에, 그들의 스핀 벡터가 더해져 네 개의 스핀 투영(Sz = +⁠3/2⁠, Sz = +⁠1/2⁠, Sz = −⁠1/2⁠, Sz = −⁠3/2⁠)을 가진 S = ⁠3/2⁠ 길이의 벡터, 또는 두 개의 스핀 투영(Sz = +⁠1/2⁠, Sz = −⁠1/2⁠)을 가진 S = ⁠1/2⁠ 길이의 벡터를 만들 수 있다.[18]

궤도 각운동량(방위 양자수 L)이라고 불리는 또 다른 각운동량 수치가 있는데, 이는 1 ħ 단위로 나타나며 쿼크들이 서로 주위를 공전함으로써 발생하는 각운동량을 나타낸다. 따라서 입자의 총 각운동량(총 각운동량 양자수 J)은 고유 각운동량(스핀)과 궤도 각운동량의 조합이다. 이는 J = |L − S|에서 J = |L + S|까지 1씩 증가하는 값을 가질 수 있다.

L = 0, 1, 2, 3에 대한 중입자 각운동량 양자수
스핀,
S		 궤도 각운동량,
L		 총 각운동량,
J		 반전성,
P		 축약 표기,
JP
⁠1/2⁠ 0⁠1/2⁠+⁠1/2⁠+
1⁠3/2⁠, ⁠1/2⁠−⁠3/2⁠−, ⁠1/2⁠−
2⁠5/2⁠, ⁠3/2⁠+⁠5/2⁠+, ⁠3/2⁠+
3⁠7/2⁠, ⁠5/2⁠−⁠7/2⁠−, ⁠5/2⁠−
⁠3/2⁠ 0⁠3/2⁠+⁠3/2⁠+
1⁠5/2⁠, ⁠3/2⁠, ⁠1/2⁠−⁠5/2⁠−, ⁠3/2⁠−, ⁠1/2⁠−
2⁠7/2⁠, ⁠5/2⁠, ⁠3/2⁠, ⁠1/2⁠+⁠7/2⁠+, ⁠5/2⁠+, ⁠3/2⁠+, ⁠1/2⁠+
3⁠9/2⁠, ⁠7/2⁠, ⁠5/2⁠, ⁠3/2⁠−⁠9/2⁠−, ⁠7/2⁠−, ⁠5/2⁠−, ⁠3/2⁠−

입자 물리학자들은 최소 에너지 상태인 바닥 상태에 대응하는 궤도 각운동량이 없는(L = 0) 중입자에 가장 관심이 많다. 따라서 가장 많이 연구되는 두 중입자 그룹은 S = ⁠1/2⁠; L = 0 및 S = ⁠3/2⁠; L = 0이며, 이는 각각 J = ⁠1/2⁠+ 및 J = ⁠3/2⁠+에 대응하지만, 이들만이 존재하는 것은 아니다. S = ⁠1/2⁠ 및 L = 2뿐만 아니라 S = ⁠3/2⁠ 및 L = 2로부터 J = ⁠3/2⁠+ 입자를 얻는 것도 가능하다. 동일한 총 각운동량 구성에서 여러 입자를 갖는 이러한 현상을 축퇴라고 한다. 이러한 축퇴된 중입자들을 어떻게 구별할 것인가는 중입자 분광학에서 활발한 연구 분야이다.[19][20]

반전성

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만약 우주가 거울에 비친다면, 대부분의 물리 법칙은 동일할 것이다. 우리가 무엇을 "왼쪽"이라 부르고 무엇을 "오른쪽"이라 부르든 사물은 같은 방식으로 행동할 것이다. 이 거울 반사의 개념을 "고유 반전성" 또는 간단히 "반전성"(P)이라고 한다. 중력, 전자기력, 강한 상호작용은 우주가 거울에 비치는지 여부와 관계없이 모두 같은 방식으로 행동하므로 반전성을 보존한다(P-대칭). 그러나 약한 상호작용은 "왼쪽"과 "오른쪽"을 구별하는데, 이를 반전성 위반(P-위반)이라고 한다.

이에 기초하여, 각 입자의 파동 함수(더 정확한 용어로는 각 입자 유형에 대한 양자장)가 동시에 거울 반전된다면, 새로운 파동 함수 세트는 (약한 상호작용을 제외하고) 물리 법칙을 완벽하게 만족할 것이다. 이것이 완전히 사실은 아님이 밝혀졌다. 방정식이 만족되려면 특정 유형의 입자의 파동 함수는 거울 반전되는 것 외에도 -1을 곱해야 한다. 그러한 입자 유형은 음의 또는 홀수 반전성(P = −1, 또는 P = –)을 가진다고 하며, 다른 입자들은 양의 또는 짝수 반전성(P = +1, 또는 P = +)을 가진다고 한다.

중입자의 경우, 반전성은 다음과 같은 관계에 의해 궤도 각운동량과 관련이 있다.[21]

결과적으로, 궤도 각운동량이 없는(L = 0) 중입자는 모두 짝수 반전성(P = +)을 가진다.

명칭

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중입자는 아이소스핀(I) 값과 쿼크(q) 함량에 따라 그룹으로 분류된다. 중입자에는 핵자(
N
), 델타 중입자(
Δ
), 람다 중입자(
Λ
), 시그마 중입자(
Σ
), 크시 중입자(
Ξ
), 오메가 중입자(
Ω
)의 6개 그룹이 있다. 분류 규칙은 입자 데이터 그룹(Particle Data Group)에 의해 정의된다. 이 규칙은 위 쿼크(
u
), 아래 쿼크(
d
), 기묘 쿼크(
s
)를 가벼운 것으로 간주하고 맵시 쿼크(
c
), 바닥 쿼크(
b
), 꼭대기 쿼크(
t
)를 무거운 것으로 간주한다. 이 규칙은 6개의 쿼크 중 각각 3개로 만들어질 수 있는 모든 입자를 포함하지만, 꼭대기 쿼크로 만들어진 중입자는 꼭대기 쿼크의 짧은 수명 때문에 존재하지 않을 것으로 예상된다. 이 규칙은 펜타쿼크를 포함하지 않는다.[22]

  • 세 개의
    u
     및
    d
     쿼크의 (임의의 조합)을 가진 중입자는
    N
    (I = ⁠1/2⁠) 또는
    Δ
     중입자(I = ⁠3/2⁠)이다.
  • 두 개의
    u
     및
    d
     쿼크를 포함하는 중입자는
    Λ
     중입자(I = 0) 또는
    Σ
     중입자(I = 1)이다. 만약 세 번째 쿼크가 무거우면 그 정체는 아래첨자로 표시된다.
  • 하나의
    u
     또는
    d
     쿼크를 포함하는 중입자는
    Ξ
     중입자(I = ⁠1/2⁠)이다. 나머지 두 쿼크 중 하나 또는 둘 다 무거우면 하나 또는 두 개의 아래첨자가 사용된다.

  • u
     또는
    d
     쿼크를 포함하지 않는 중입자는
    Ω
     중입자(I = 0)이며, 아래첨자는 무거운 쿼크 함량을 나타낸다.
  • 강하게 붕괴하는 중입자는 그 질량이 이름의 일부로 포함된다. 예를 들어, Σ0는 강하게 붕괴하지 않지만 Δ++(1232)는 강하게 붕괴한다.

또한 그렇지 않으면 동일한 기호를 가질 수 있는 일부 상태를 구별할 때 몇 가지 추가 규칙을 따르는 것이 일반적이다(보편적이지는 않음).[17]

  • J = ⁠1/2⁠ 대응물과 동일한 기호를 가지는 총 각운동량 J = ⁠3/2⁠ 구성의 중입자는 별표( * )로 표시된다.
  • J = ⁠1/2⁠ 구성에서 세 개의 서로 다른 쿼크로 두 개의 중입자가 만들어질 수 있다. 이 경우, 이들을 구별하기 위해 프라임( ′ )이 사용된다.
    • 예외: 세 쿼크 중 두 개가 위 쿼크와 아래 쿼크인 경우, 하나의 중입자는 Λ로, 다른 하나는 Σ로 명명된다.

쿼크는 전하를 운반하므로 입자의 전하를 알면 간접적으로 쿼크 함량을 알 수 있다. 예를 들어, 위의 규칙에 따르면
Λ+
c는 c 쿼크와 두 개의 u 및 d 쿼크의 조합을 포함한다. c 쿼크는 전하가 (Q = +⁠2/3⁠)이므로, 전체 전하(Q = +1)를 맞추기 위해 나머지 두 개는 u 쿼크(Q = +⁠2/3⁠)와 d 쿼크(Q = −⁠1/3⁠)여야 한다.

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
  1. 1 2 Gell-Mann (1964)
  2. ↑ Nakano, Tadao; Nishijima, Kazuhiko (November 1953). “Charge Independence for V-particles”. 《Progress of Theoretical Physics》 10 (5): 581–582. Bibcode:1953PThPh..10..581N. doi:10.1143/PTP.10.581. The 'baryon' is the collective name for the members of the nucleon family. This name is due to Pais. See ref. (6).
  3. ↑ Pais 1953, 457쪽 "... it seems practical to have a collective name for these particles and other which possibly may still be discovered and which may also have to be taken along in the conservation principle just mentioned. It is proposed to use the fitting name 'baryon' for this purpose."
  4. ↑ Shull, Smith & Danforth (2012)
  5. ↑ MacQuart 외. (2020)
  6. ↑ Muir (2003)
  7. ↑ Carter (2006)
  8. ↑ W.-M. Yao et al. (2006): Particle listings – Θ+
  9. ↑ C. Amsler et al. (2008): Pentaquarks
  10. ↑ LHCb (2015년 7월 14일). “Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in Λ0
    b     → J/ψpK−     decays.”    . CERN. 2015년 7월 14일에 확인함.
  11. ↑ Aaij, R. 외 (LHCb collaboration) (2015). “Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0
    b    →J/ψK−p     decays”. 《Physical Review Letters》 115 (7). arXiv:1507.03414. Bibcode:2015PhRvL.115g2001A. doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001. PMID 26317714. S2CID 119204136.
  12. ↑ “11.3: Particle Conservation Laws”. 《LibreTexts》. 2016년 11월 1일. 2022년 8월 10일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2023년 12월 26일에 확인함.
  13. ↑ Heisenberg (1932a)
  14. ↑ Heisenberg (1932b)
  15. ↑ Heisenberg (1932c)
  16. ↑ Wigner (1937)
  17. 1 2 3 Wong (1998a)
  18. ↑ Shankar (1994).
  19. ↑ Garcilazo, Vijande & Valcarce (2007)
  20. ↑ Manley (2005)
  21. ↑ Wong (1998b)
  22. ↑ C. Amsler et al. (2008): Naming scheme for hadrons

참고 자료

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외부 링크

[편집]
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