바리온

입자물리학 표준모형
표준 모형의 소립자
배경 입자 물리학 표준 모델 양자장론 게이지 이론 자발적 대칭 깨짐 힉스 메커니즘
구성 요소 전약 상호작용 양자 색역학 CKM 매트릭스 표준 모형 수학
제한 사항 강력한 CP 문제 계층 문제 중성미자 진동 표준 모델을 뛰어넘는 물리
과학자 러더퍼드 · 톰슨 · 채드윅 · 보스 · 수다르산 · 데이비스 주니어 · 앤더슨 · 페르미 · 디락 · 파인만 · 루비아 · 겔만 · 켄달 · 테일러 · 프리드먼 · 파월 · P. W. 앤더슨 · 글래쇼 · 일리오풀로스 · 레더맨 · 마이아니 · 미어 · 코완 · 남부 · 체임벌린 · 카비보 · 슈와츠 · 펄 · 마요라나 · 와인버그 · 이씨 · 워드 · 살람 · 고바야시 · 마스카와 · 판 데르 미어 · 밀스 · 양 · 유카와 · '호프트 없음' · 벨트만 · 징그러워 · 페이즈 · 파울리 · 폴리처 · 라인 · 슈윙거 · 빌체크 · 크로닌 · 피치 · 렉 · 힉스 · 영어 · 브루트 · 하겐 · 구랄니크 · 키블 · 산티아고 안투네스 데 마욜로 · 세자르 라테스 · 쯔바이크
v t

입자 물리학에서, 바리온은 홀수 개수의 원자가 쿼크를 포함하는 복합 아원자 입자의 한 종류이다.^[1]바리온은 입자의 하드론 계열에 속하며 하드론은 쿼크로 구성되어 있다.바리온은 반정수 스핀을 가지고 있기 때문에 페르미온으로도 분류된다.

"바리온"^[2]이라는 이름은 아브라함 파이스에 의해 소개되었으며, 그리스어로 "무거운" (βαδδδ, barýs)이라는 뜻에서 유래되었다. 왜냐하면, 이름 지을 당시, 대부분의 알려진 소립자들이 바리온보다 질량이 낮았기 때문이다.각 바리온은 대응하는 반입자(반바리온)를 가지며, 여기서 대응하는 반바리온은 쿼크를 대체합니다.예를 들어, 양성자는 2개의 업 쿼크와 1개의 다운 쿼크로 구성되어 있으며, 이에 대응하는 반입자인 반양성자는 2개의 업 앤티크, 1개의 다운 앤티크 등으로 구성되어 있습니다.

쿼크로 구성되어 있기 때문에, 중입자는 글루온이라고 알려진 입자에 의해 매개되는 강한 상호작용에 참여합니다.가장 친숙한 바리온은 양성자와 중성자로, 두 가지 모두 3개의 쿼크를 포함하고 있으며, 이러한 이유로 그들은 때때로 3쿼크라고 불립니다.이 입자들은 우주에서 눈에 보이는 물질의 질량의 대부분을 구성하고 모든 원자의 핵을 구성합니다.펜타쿼크라고 불리는 5개의 쿼크를 포함하는 외래 바리온도 발견되어 연구되었다.

우주의 중입자에 대한 인구 조사에 따르면 이들 중 10퍼센트는 은하 내부에서, 50-60퍼센트는 은하계 주변 ^[3]매질에서, 나머지 30-40퍼센트는 따뜻한-뜨거운 은하간 매질(^[4]WHIM)에서 찾을 수 있습니다.

배경

바리온은 강하게 상호작용하는 페르미온이다. 즉, 강한 핵력에 의해 작용하고 파울리 배타 원리를 따르는 모든 입자에 적용되는 페르미-디락 통계로 설명된다.이것은 배타 원리를 따르지 않는 보손과는 대조적이다.

중입자는 중간자와 함께 쿼크로 구성된 입자인 강입자입니다.쿼크에는 B =의 중입자 수가 있습니다.1/3 및 고물에는 B = -1/3의 중입자 수가 있습니다."바리온"이라는 용어는 일반적으로 3개의 쿼크로 이루어진 3개의 쿼크(B = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1)를 가리킨다.

펜타쿠크와 같은 다른 외래 바리온은 4개의 쿼크와 1개의 반타쿠크로 이루어진 바리온(B = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 =^[5][6] 1)이 제안되었지만, 그 존재는 일반적으로 받아들여지지 않는다.입자물리학계 전체로는 ^[7]2006년에는 이들의 존재가 불가능하다고 생각했고 2008년에는 보고된 펜타쿠크의 ^[8]존재에 압도적으로 반대하는 증거로 간주됐다.그러나 2015년 7월 LHCb 실험에서 δ⁰
_b ^[9][10]→ J/globalKp⁻
붕괴에서 펜타쿠크 상태와 일치하는 두 가지 공명이 관측되었으며, 결합된 통계적 유의성은 15µ이었다.

이론적으로, 헵타쿠크(5쿼크, 반쿼크 2개), 비쿼크(6쿼크, 반쿼크 3개) 등도 존재할 수 있다.

바리온 물질

일상생활에서 마주치거나 경험할 수 있는 거의 모든 물질은 모든 종류의 원자를 포함하고 질량의 속성을 제공하는 중입자 물질이다.비중성 물질이란 이름에서 알 수 있듯이, 주로 중성 물질로 구성되어 있지 않은 모든 종류의 물질이다.여기에는 중성미자와 자유전자, 암흑물질, 초대칭입자, 축이온, 블랙홀 등이 포함될 수 있습니다.

빅뱅이 같은 양의 중입자와 반입자를 가진 상태를 만들어냈다고 가정하기 때문에 중입자의 존재 자체가 우주론에서 중요한 문제이다.중입자가 반입자보다 많아지는 과정을 중입자형성이라고 한다.

중입자형성

실험은 우주의 쿼크의 수가 일정하고, 더 구체적으로 말하면, 바리온의 수가 ^{[citation needed]}일정하다는 것과 일치합니다; 기술 언어로, 총 바리온의 수는 보존된 것으로 보입니다.일반적으로 사용되는 입자물리 표준모형에서는 스팔레론의 작용으로 인해 중입자의 수가 3의 배수로 변화할 수 있지만, 이는 드물고 실험 중에 관찰된 바 없다.입자 물리학의 몇몇 거대한 통일 이론은 또한 하나의 양성자가 붕괴할 수 있고, 바리온 수를 하나씩 바꿀 수 있다고 예측한다; 하지만, 이것은 아직 실험 중에 관찰되지 않았다.현재 우주에서 반바리온보다 바리온이 더 많은 것은 매우 초기 우주의 바리온 수가 보존되지 않았기 때문인 것으로 생각되지만, 이것은 잘 이해되지 않습니다.

특성.

아이소스핀과 전하

아이소스핀의 개념은 강한 ^[11]상호작용 하에서 양성자와 중성자 사이의 유사성을 설명하기 위해 1932년 베르너 하이젠베르크에 의해 처음 제안되었다.비록 그들은 다른 전하를 가지고 있었지만, 물리학자들은 그들이 같은 입자라고 믿을 정도로 질량이 비슷했다.다른 전하가 스핀과 유사한 알려지지 않은 들뜸의 결과로 설명되었습니다.이 알려지지 않은 흥분은 나중에 ^[12]1937년 유진 위그너에 의해 아이소스핀이라고 불렸다.

이러한 믿음은 1964년 Murray Gell-Mann이 (원래 u, d, s 쿼크만 포함)^[13] 쿼크 모델을 제안할 때까지 지속되었다.아이소스핀 모델의 성공은 이제 비슷한 질량의 u 쿼크와 d 쿼크의 결과로 이해된다.u 쿼크와 d 쿼크는 질량이 비슷하기 때문에 같은 수로 만들어진 입자도 질량이 비슷합니다.u 쿼크는 +2/3의 전하를 가지고 있고 d 쿼크는 -1/3의 전하를 가지고 있기 때문에 정확한 특정 u 쿼크와 d 쿼크의 구성은 전하를 결정합니다.예를 들어 4개의 Delta는 모두 다른 전하(
u⁺⁺
(uuu), δ⁺
(uud), δ⁰
(udd), δ⁻
(ddd))를 가지지만 각각 3개의 u 또는 dquark의 조합으로 구성되어 있기 때문에 질량이 비슷합니다(~1,232 MeV²/c).Isospin 모델에서는 서로 다른 하전 상태의 단일 입자로 간주되었습니다.

아이소스핀의 수학은 스핀의 수학에 따라 만들어졌다.Isospin 투영법은 스핀 투영법과 마찬가지로 1씩 증가하여 각 투영법에 "충전 상태"가 관련되었습니다."델타 입자"는 4개의 "하전 상태"를 가지고 있기 때문에, 이소스핀 I = 3/2라고 한다."충전 상태" δ⁺⁺
, δ⁺
, δ⁰
및 δ는⁻
각각 I = +3/2, I₃ = +1/2, I₃ = -1/2 및 I₃ = -3/2에 해당한다₃.또 다른 예는 "핵 입자"이다.두 개의 핵자 "충전 상태"가 있었기 때문에, 이소스핀 1/2라고 한다.양성의 핵자⁺
N(16%)은 I = +1/2로₃, 중성 핵자⁰
N(166)은 I = -1/^[14]2로 확인되었다₃.나중에 아이소스핀 투영법이 입자의 업 및 다운 쿼크 함량과 관련이 있다는 것이 다음과 같은 관계에 의해 밝혀졌다.

${\displaystyle I_{\mathrm {3} = snfrac {1}{2}} - n_{\mathrm {d} } - n_{\mathrm {d} } - n_{\mathrm {d}} },$

여기서 n은 위아래 쿼크와 반쿼크의 수입니다.

"아이소스핀 그림"에서, 네 개의 델타와 두 개의 핵자는 두 입자의 다른 상태로 생각되었습니다.그러나 쿼크 모델에서 델타는 핵자의 다른 상태입니다(N 또는⁻ N은⁺⁺ 파울리의 배타 원리에 의해 금지됩니다).Isospin은 사물에 대한 부정확한 그림을 전달하고 있지만, 여전히 중입자를 분류하는 데 사용되며, 부자연스럽고 종종 혼동스러운 명명법으로 이어진다.

플레이버 양자수

이상도 맛 양자수 S(스핀과 혼동하지 말 것)는 입자 질량과 함께 오르내리는 것을 볼 수 있었다.질량이 클수록 이상도는 낮아집니다(쿼크가 많을수록).입자는 아이소스핀 투영법(전하 관련)과 이상도(질량)로 설명할 수 있습니다(오른쪽의 uds 옥텟 및 십진수 그림 참조).다른 쿼크가 발견됨에 따라 새로운 양자수는 udc와 udb 옥텟과 십진수를 비슷하게 기술했다.u와 d 질량만이 유사하기 때문에 이소스핀과 향미 양자수 측면에서 입자 질량과 전하를 설명하는 것은 하나의 u, 하나의 d, 하나의 다른 쿼크로 이루어진 옥텟과 십중창에만 적용되며, 다른 옥텟과 십중창(예: ucb 옥텟과 십중창)에 대해서는 분해된다.만약 쿼크가 모두 같은 질량을 가지고 있다면, 쿼크의 행동은 모두 강한 상호작용에 대해 같은 방식으로 행동하기 때문에 대칭이라고 불릴 것입니다.쿼크는 같은 질량을 가지고 있지 않기 때문에 같은 방식으로 상호작용하지 않으며(정확히 전장에 배치된 전자가 더 가벼운 질량을 가지고 있기 때문에 같은 장에 배치된 양성자보다 더 빨리 가속하는 것처럼), 대칭이 깨진다고 한다.

전하(Q)는 겔만-니시지마 ^[14]공식에 따라 이소스핀 투영법₃(I), 바리온 수(B) 및 풍미 양자 수(S, C, B), T)와 관련이 있다는 점에 주목했다.

$({displaystyle Q=I_{3}+{\frac {1}{2}}\left(B+S+C+B^{\prime}+T\오른쪽)})$

여기서 S, C, B, 및 T는 각각 이상도, 매력도, 바닥도 및 최상도 맛 양자수를 나타낸다.이들은 관계에 따라 묘한 수, 매력 수, 바닥 수, 그리고 꼭대기 쿼크와 반쿼크의 수와 반쿼크는 다음과 같습니다.

$디스플레이 스타일S&=-\left(n_{\mathrm {s}})-n_{\mathrm {s}}\오른쪽),\C&=+\left(n_{\mathrm {c}}}-n_{\mathrm {c}}}\오른쪽,\B^{\prime}={n}\left(n}\m})T&=+\left(n_{\mathrm {t}})-n_{\mathrm {t}}\right},\end{aligned}}}$

즉, 겔-만-니시지마 공식은 쿼크 함량 측면에서 전하 표현과 동등하다.

$({displaystyle Q=mathfrac {2}{3}}\left[(n_{\mathrm {u}}-n_{\mathrm {c}})}+(n_{\mathrm {t}}}-n_{c}})+(n_{\mathrmathrm {t}}}) {\right} {\mathrm}}}$

스핀, 궤도 각운동량 및 총 각운동량

스핀(양자 번호 S)은 입자의 "내적" 각운동량을 나타내는 벡터량입니다.1/2 µ ("h-bar"로 발음)의 증분으로 제공됩니다.θ는 스핀의 "기본" 단위이기 때문에 종종 떨어지며, 이는 "spin 1"이 "spin 1 µ"을 의미한다는 것을 암시한다.자연 단위의 일부 시스템에서는 θ가 1로 선택되므로 어디에도 나타나지 않습니다.

쿼크는 스핀 1/2(S = 1/2)의 페르미온 입자입니다.스핀 투영은 1씩 증가하기 때문에(즉, 1µ), 단일 쿼크는 1/2 길이의 스핀 벡터를 가지며, 두 개의 스핀 투사_z(S = +1/2 및 S = -1/2)를_z 가진다.두 쿼크는 스핀을 정렬할 수 있으며, 이 경우 두 스핀 벡터가 더해져 길이 S = 1과 세 스핀 투영(S_z = +1, S_z = 0, S_z = -1)의 벡터가 만들어집니다.두 쿼크가 정렬되지 않은 스핀을 가지면 스핀 벡터가 합산되어 길이가 S = 0인 벡터가 되고 스핀 투영(S_z = 0)이 하나만 됩니다.중입자는 3개의 쿼크로 이루어지므로, 그 스핀 벡터를 더하여 4개의 스핀 투영(S_z = +3/2_z, S = +1/2, S_zz = -1/2, S = -3/2)을_z 갖는 길이 S = 1/2의 벡터를 만들 수 있다.

궤도각운동량(방위 양자수 L)이라고 불리는 또 다른 각운동량은 서로 주위를 도는 쿼크로 인한 각모멘트를 나타내는 1µ 단위로 나타난다.따라서 입자의 총 각운동량(총 각운동량 양자수 J)은 고유 각운동량(spin)과 궤도 각운동량의 조합이다.J = L - S부터 J = L + S까지의 모든 값을 1씩 증분하여 얻을 수 있습니다.

L = 0, 1, 2, 3에 대한 바리온 각운동량 양자수

빙글빙글빙글 돌다 S	궤도각 모멘텀, L	총각 모멘텀, J	패리티, P	응축 표기법, JP
1/2	0	1/2	+	1/2+
	1	3/2, 1/2	−	3/2−, 1/2−
	2	5/2, 3/2	+	5/2+, 3/2+
	3	7/2, 5/2	−	7/2−, 5/2−
3/2	0	3/2	+	3/2+
	1	5/2, 3/2, 1/2	−	5/2−, 3/2−, 1/2−
	2	7/2, 5/2, 3/2, 1/2	+	7/2+, 5/2+, 3/2+, 1/2+
	3	9/2, 7/2, 5/2, 3/2	−	9/2−, 7/2−, 5/2−, 3/2−

입자 물리학자들은 궤도 각운동량(L = 0)이 없는 중입자가 최소 에너지 상태인 지면 상태에 해당하기 때문에 가장 관심이 많다.따라서 가장 많이 연구되는 두 개의 중입자 그룹은 각각 J = 1/2와⁺ J = 3/2에⁺ 해당하는 S = 1/2와 S = 3/2, L = 0입니다. 단, 이 두 그룹만이 유일한 중입자는 아닙니다.또한 S = 1/2 및 L = 2에서 J = 3/2⁺ 입자를 얻을 수 있으며, S = 3/2 및 L = 2에서도 얻을 수 있다.동일한 총 각운동량 구성에 여러 개의 입자가 있는 현상을 퇴행성이라고 합니다.이러한 퇴화 바리온을 구별하는 방법은 바리온 ^[16][17]분광학에서 활발한 연구 분야이다.

패리티

만약 우주가 거울에 비친다면, 대부분의 물리 법칙은 똑같을 것입니다. 우리가 "왼쪽"이라고 부르는 것과 우리가 "오른쪽"이라고 부르는 것에 상관없이 모든 것이 똑같이 행동할 것입니다.거울 반사의 이 개념은 "내적 패리티" 또는 단순히 "패리티"(P)라고 불립니다.중력, 전자기력, 강한 상호작용은 우주가 거울에 반사되는지 여부에 관계없이 모두 같은 방식으로 작용하며, 따라서 동등성(P-대칭성)을 보존한다고 한다.단, 약한 상호작용은 패리티 위반(P-violation)이라고 불리는 현상인 "왼쪽"과 "오른쪽"을 구별합니다.

이것에 근거해, 각 입자의 파동 함수(더 정확한 용어로, 각 입자 타입의 양자장)를 동시에 반전시킨다면, 새로운 파동 함수 집합은 (약한 상호작용을 제외하고) 물리 법칙을 완벽하게 만족시킬 것이다.이것은 사실이 아닌 것으로 판명되었습니다.방정식이 충족되기 위해서는 거울에 의해 반전되는 것 외에 특정 유형의 입자의 파동함수에 -1을 곱해야 합니다.이러한 입자 유형은 음수 또는 홀수 패리티(P = -1 또는 대안 P = –)를 가지며, 다른 입자 유형은 양수 또는 짝수 패리티(P = +1 또는 대안 P = +)를 갖습니다.

중입자의 경우 패리티는 다음과 같은 ^[18]관계에 의해 궤도 각운동량과 관련됩니다.

${{displaystyle P=param1)^{L}\}$

따라서 궤도 각운동량(L = 0)이 없는 중입자는 모두 짝수 패리티(P = +)를 갖는다.

명명법

중입자는 이소스핀(I) 값과 쿼크(q) 함량에 따라 그룹으로 분류된다.중입자에는 핵자(
N
), 델타(
δ
), 람다(
δ
),
시그마(δ
), Xi(
δ
),
오메가(δ
)의 6가지 그룹이 있습니다.분류 규칙은 파티클 데이터 그룹에 의해 정의됩니다.이러한 규칙에서는 위쪽(
u
), 아래쪽(
d
) 및 이상한(
s
) 쿼크가 가볍고 참(
c
), 아래쪽(
b
)
및 위쪽
(t) 쿼크가 무겁다고 간주합니다.비록 꼭대기 쿼크의 수명이 짧기 때문에 꼭대기 쿼크로 만들어진 바리온이 존재하지 않을 것으로 예상되지만, 이 규칙은 6개의 쿼크 각각에서 만들어질 수 있는 모든 입자를 포함한다.그 규칙은 펜타쿠크를 ^[19]포함하지 않는다.

• 3개의
  u 및/또는
  d 쿼크를 가진 중입자는 Ns(I = 1/2) 또는 δ
  중입자(I = 3/2)이다
  .
• 2개의
  u 및/또는
  d쿼크를 포함하는 바리온은 δ
  바리온(I = 0) 또는 δ
  바리온(I = 1)이다.세 번째 쿼크가 무거운 경우, 그 식별성은 첨자에 의해 나타납니다.
• 하나의
  u
  또는 d 쿼크를 포함하는 바리온은 δ
  바리온이다(I = 1/2).나머지 쿼크 중 하나 또는 둘 다 무거운 경우 하나 또는 두 개의 첨자가 사용됩니다.
• u 또는
  d 쿼크가 없는
  바리온은 δ
  바리온(I = 0)이며, 첨자는 무거운 쿼크 함량을 나타냅니다.
• 강하게 부패하는 중입자는 이름의 일부로 질량을 가지고 있다.예를 들어, δ는⁰ 강하게 붕괴하지 않지만 δ⁺⁺(1322)는 강하게 붕괴합니다.

또한 동일한 기호를 ^[14]가진 일부 주를 구분할 때 몇 가지 추가 규칙을 따르는 것은 널리 퍼져 있지만 보편적이지 않은 관행이다.

• 총 각운동량 J = 3/2 구성의 중입자는 J = 1/2와 동일한 기호를 가지며 별표(*)로 표시됩니다.
• J = 1/2 구성에서 두 개의 중입자를 세 개의 다른 쿼크로 만들 수 있습니다.이 경우 이들을 구별하기 위해 소수( ))가 사용됩니다.
  • 예외:세 개의 쿼크 중 두 개가 위쪽 쿼크와 아래쪽 쿼크일 때, 한 바리온은 is이고 다른 바리온은 σ로 불립니다.

쿼크는 전하를 띠기 때문에 입자의 전하를 알면 간접적으로 쿼크의 함량을 알 수 있습니다.예를 들어 위의 규칙에서는 δ에⁺
_c c쿼크와 2개의 u쿼크 및/또는 d쿼크의 조합이 포함되어 있습니다.c 쿼크는 (Q = +2/3)의 전하를 가지므로, 나머지 2개는 u 쿼크(Q = +2/3)와 d 쿼크(Q = -1/3)여야 정확한 총 전하(Q = +1)를 가질 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 팔배지
• 중입자 목록
• 중간자
• 입자 발견 연표

인용문

일반 참고 자료

외부 링크

• 입자 데이터 그룹—입자 물리학 검토(2018).
• 조지아 주립 대학교: 하이퍼 물리
• Baryons는 생각할 수 있게 만들어 물리적 특성을 비교할 수 있는 대화형 시각화이다.