쿼크

Quark
이 기사는 소립자와 그 반입자에 관한 것입니다.다른 용도는 쿼크(동음이의)를 참조하십시오.
쿼크
Three colored balls (symbolizing quarks) connected pairwise by springs (symbolizing gluons), all inside a gray circle (symbolizing a proton). The colors of the balls are red, green, and blue, to parallel each quark's color charge. The red and blue balls are labeled "u" (for "up" quark) and the green one is labeled "d" (for "down" quark).
양성자는 두 개의 업 쿼크, 한 개의 다운 쿼크, 그리고 힘을 "결합"하는 글루온으로 구성됩니다.개별 쿼크의 색상 할당은 임의적이지만 세 가지 색상이 모두 존재해야 합니다. 빨간색, 파란색 및 녹색은 함께 흰색을 생성하는 기본 색상과 유사하게 사용됩니다.
구성.소립자
통계학페르미온의
시대1등, 2등, 3등
상호 작용강함, 약함, 전자기적, 중력
기호.
q의
반입자앤티크 (q
)
이론화된
발견된SLAC (1968년경)
종류들6 (위,아래,이상한,매력,아래,위)
전하+ 2/3e, −1/3e
색전하네.
스핀1/2 ħ
중입자수1/3

쿼크(/kwːrk, kwːrk/)는 기본 입자의 일종이며 물질의 기본 구성 요소입니다.쿼크는 결합하여 하드론이라고 불리는 복합 입자를 형성하는데, 그 중 가장 안정적인 것은 [1]원자핵의 구성요소인 양성자와 중성자입니다.일반적으로 관측 가능한 모든 물질은 업쿼크, 다운쿼크 및 전자로 구성됩니다.색 제한이라고 알려진 현상 때문에 쿼크는 결코 고립된 상태에서 발견되지 않습니다; 그들은 중입자(양성자와 중성자와 같은)와 중간자를 포함하는 강입자 또는 쿼크-글루온 [2][3][nb 1]플라스마에서만 발견될 수 있습니다.이러한 이유로, 쿼크에 대해 알려진 많은 것들은 강입자의 관측으로부터 얻어졌습니다.

쿼크는 전하, 질량, 색전하, 스핀을 포함한 다양한 고유한 특성을 가지고 있습니다.그들은 입자 물리학의 표준 모델에서 기본적인 힘(전자력, 중력, 강한 상호 작용, 약한 상호 작용)이라고도 알려진 네 가지 기본 상호 작용을 모두 경험하는 유일한 기본 입자이며 전하가 기본 전하의 정수 배수가 아닌 알려진 입자입니다.

맛이라고 알려진 쿼크에는 6가지 유형이 있습니다: 위, 아래, 매력, 이상한, 위, 그리고 아래.[4]위 쿼크와 아래 쿼크의 질량은 모든 쿼크 중에서 가장 낮습니다.무거운 쿼크는 입자 붕괴 과정을 통해 위 쿼크와 아래 쿼크로 빠르게 바뀝니다. 즉, 더 높은 질량 상태에서 더 낮은 질량 상태로 변환됩니다.이것 때문에, 위 쿼크와 아래 쿼크는 일반적으로 안정적이고 우주에서 가장 흔한 반면, 이상한, 매력적인, 바닥 쿼크, 그리고 꼭대기 쿼크는 오직 높은 에너지 충돌 (우주선과 입자 가속기를 포함하는 것과 같은)에서만 생성될 수 있습니다.모든 쿼크 맛에는 반쿼크로 알려진 해당 반입자 유형이 있으며, 일부 특성(전하와 같은)이 크기는 같지만 부호는 반대라는 점에서만 쿼크와 다릅니다.

쿼크 모델은 1964년 [5]물리학자 머레이 겔만과 조지 즈베이그에 의해 독립적으로 제안되었습니다.쿼크는 강입자에 대한 순서 체계의 일부로 도입되었고,[6][7] 1968년 스탠포드 선형 가속기 센터에서 심층 비탄성 산란 실험을 하기 전까지 그들의 물리적 존재에 대한 증거는 거의 없었습니다.가속기 프로그램 실험은 6가지 맛 모두에 대한 증거를 제공했습니다.1995년 페르미랩에서 처음 관측된 꼭대기 쿼크가 마지막으로 [5]발견되었습니다.

분류

참고 항목:표준 모델
A four-by-four table of particles. Columns are three generations of matter (fermions) and one of forces (bosons). In the first three columns, two rows contain quarks and two leptons. The top two rows' columns contain up (u) and down (d) quarks, charm (c) and strange (s) quarks, top (t) and bottom (b) quarks, and photon (γ) and gluon (g), respectively. The bottom two rows' columns contain electron neutrino (ν sub e) and electron (e), muon neutrino (ν sub μ) and muon (μ), and tau neutrino (ν sub τ) and tau (τ), and Z sup 0 and W sup ± weak force. Mass, charge, and spin are listed for each particle.
표준 모델의 입자 중 6개는 쿼크입니다(보라색으로 표시됨).처음 세 개의 열은 각각 물질의 세대를 형성합니다.

표준 모델은 알려진 모든 기본 입자를 설명하는 이론적 프레임워크입니다.이 모델에는 위로(
u

), 아래로(
d
), 이상한(
s
), 매력(
c
), 아래로(
b
), 위쪽(
t
)[4] 등 6가지 맛의
쿼크가 포함되어 있습니다.쿼크의 반입자는 반쿼크라고 불리며, 업 반쿼크의 경우 u와 같이
 해당 쿼크의 기호 위에 막대로 표시됩니다.일반적으로 반물질과 마찬가지로 반물질은 각각의 쿼크와 질량, 평균 수명, 스핀이 같지만 전하와 다른 전하는 반대 [8]부호를 갖습니다.

쿼크는 스핀-1/2 입자이며, 이는 스핀-통계 정리에 따르면 페르미온임을 의미합니다.그들은 동일한 두 페르미온이 동시에 동일한 양자 상태를 점유할 수 없다는 파울리 배타 원리의 적용을 받습니다.이는 임의의 숫자가 동일한 [9]상태에 있을 수 있는 입자(정수 스핀을 가진 입자)와 대조적입니다.렙톤과 달리 쿼크는 색전하를 가지고 있어서 강한 상호작용에 관여합니다.다른 쿼크들 사이의 결과적인 인력은 하드론으로 알려진 복합 입자의 형성을 야기합니다 (아래의 "강력한 상호작용과 색전하" 참조).

강입자의 양자수를 결정하는 쿼크는 원자가 쿼크라고 불립니다; 이것들을 제외하고, 모든 강입자는 양자수에 [10]영향을 미치지 않는 무한한 수의 가상 "바다" 쿼크, 반쿼크, 그리고 글루온을 포함할 수 있습니다.강입자에는 두 종류가 있습니다. 중입자는 3가 쿼크를 가지고 있고 중간자는 1가 쿼크와 [11]반쿼크를 가지고 있습니다.가장 흔한 중입자는 원자핵의 구성요소인 [12]양성자와 중성자입니다.많은 강입자가 알려져 있으며(중입자 목록 및 중간자 목록 참조), 대부분은 쿼크 함량과 구성 쿼크가 제공하는 특성에 의해 구별됩니다.테트라쿼크(
qqqq






)와 펜타쿼크(
qqqq








)와 같은 원자가 쿼크가 더 많은 "이외" 강입자의 존재는 쿼크[13] 모델의 시작부터 추측되었지만 21세기 [14][15][16][17]초까지 발견되지 않았습니다.

기본 페르미온은 각각 두 개의 렙톤과 두 개의 쿼크로 구성된 세 세대로 그룹화됩니다.첫 번째 세대는 위 쿼크와 아래 쿼크, 두 번째 이상하고 매력적인 쿼크, 세 번째 바닥 쿼크와 위 쿼크를 포함합니다.쿼크와 다른 기본 페르미온의 4세대에 대한 모든 검색은 [18][19]실패했고, 3세대 이상이 [nb 2][20][21][22]존재하지 않는다는 강력한 간접 증거가 있습니다.고세대 입자는 일반적으로 질량이 크고 안정성이 낮으므로 약한 상호 작용을 통해 저세대 입자로 붕괴합니다.자연에서는 1세대(위와 아래) 쿼크만 일반적으로 발생합니다.더 무거운 쿼크는 고에너지 충돌(우주선을 포함하는 충돌 등)에서만 생성될 수 있고 빠르게 붕괴할 수 있습니다. 하지만 우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 단계(쿼크 시대)에 있었던 빅뱅 이후 첫 몇 초 동안 존재했던 것으로 생각됩니다.더 무거운 쿼크에 대한 연구는 입자 [23]가속기와 같이 인공적으로 만들어진 조건에서 수행됩니다.

전하, 질량, 색전하, 맛을 가진 쿼크는 현대 물리학의 네 가지 기본 상호 작용에 모두 관여하는 유일한 기본 입자입니다: 전자기, 중력, 강한 상호 작용, 그리고 [12]약한 상호 작용.중력은 에너지(플랑크 에너지)와 거리 척도(플랑크 거리)의 극한을 제외하고는 개별 입자 상호 작용과 관련이 있을 수 없을 정도로 약합니다.그러나, 중력의 성공적인 양자 이론이 존재하지 않기 때문에, 중력은 표준 모델에 의해 설명되지 않습니다.

6개 쿼크 맛의 특성에 대한 더 완전한 개요를 보려면 아래 속성 표를 참조하십시오.

역사

머레이 겔만 (2007)
George Zweig (2015)

쿼크 모델은 1964년 [5]물리학자 머레이 겔만과[24] 조지 즈베이그에[25][26] 의해 독립적으로 제안되었습니다.이 제안은 겔만이 1961년에 팔중법으로 알려진 입자 분류 시스템을 공식화한 직후에 나왔습니다. 더 전문적인 용어로 SU(3) 맛 대칭은 [27]구조를 간소화합니다.물리학자 Yuval Ne'eman은 같은 [28][29]해에 독립적으로 팔중법과 유사한 계획을 개발했습니다.구성 요소 구성에 대한 초기 시도는 사카타 모델에서 사용할 수 있었습니다.

쿼크 이론이 시작되었을 때, "입자 동물원"은 다른 입자들 중 다수의 강입자를 포함했습니다.겔만과 츠바이크는 그들이 기본 입자가 아니라 쿼크와 반쿼크의 조합으로 구성되어 있다고 가정했습니다.그들의 모델은 위로, 아래로, 그리고 이상한 세 가지 맛의 쿼크를 포함했고, 그들은 스핀과 [24][25][26]전하와 같은 특성을 설명했습니다.그 제안에 대한 물리학계의 초기 반응은 엇갈렸습니다.쿼크가 물리적 실체인지 아니면 [30]당시에 완전히 이해되지 않았던 개념을 설명하는 데 사용된 단순한 추상화인지에 대한 특별한 논쟁이 있었습니다.

1년도 채 되지 않아, 겔-만-즈바이크 모델의 확장이 제안되었습니다.Sheldon Glashow와 James Bjorken은 그들이 매력이라고 부르는 쿼크의 네 번째 맛의 존재를 예측했습니다.추가는 약한 상호작용(쿼크가 붕괴할 수 있는 메커니즘)에 대한 더 나은 설명을 허용하고, 알려진 쿼크의 수를 알려진 렙톤의 수와 동일하게 하며, 알려진 [31]중간자의 질량을 정확하게 재현하는 질량 공식을 암시하기 때문에 제안되었습니다.

1968년 스탠포드 선형 가속기 센터(SLAC)에서 수행되고 1969년 10월 20일에 발표된 심층 비탄성 산란 실험은 양성자가 훨씬 더 작고 점 같은 물체를 포함하고 있으므로 기본 [6][7][32]입자가 아니라는 것을 보여주었습니다.물리학자들은 그 당시에 쿼크로 이 물체들을 확실하게 확인하는 것을 꺼려했고 대신에 그것들을 리처드 파인만이 [33][34][35]만든 용어인 "파트론"이라고 불렀습니다.SLAC에서 관찰된 물체는 나중에 다른 맛이 [36]발견되면서 위 쿼크와 아래 쿼크로 식별됩니다.그럼에도 불구하고, "파톤"은 하드론(쿼크, 안티파크, 글루온)의 구성 요소를 총칭하는 용어로 여전히 사용되고 있습니다.리처드 테일러, 헨리 켄달, 제롬 프리드먼은 SLAC에서의 그들의 연구로 1990년 노벨 물리학상을 받았습니다.

Photo of bubble chamber tracks next to diagram of same tracks. A neutrino (unseen in photo) enters from below and collides with a proton, producing a negatively charged muon, three positively charged pions, and one negatively charged pion, as well as a neutral lambda baryon (unseen in photograph). The lambda baryon then decays into a proton and a negative pion, producing a "V" pattern.
1974년 브룩헤이븐 국립 연구소에서 Δ++
c 중입자의 발견을 이끈 사건의 사진

이상한 쿼크의 존재는 SLAC의 산란 실험에 의해 간접적으로 검증되었습니다. 겔-만과 츠바이크의 3쿼크 모델의 필수 구성 요소였을 뿐만 아니라 1947년 [37]우주선에서 발견된 카온(
K
)과 파이온(
Pion
) 강입자에 대한 설명을 제공했습니다.

1970년 논문에서 글래쇼, 존 일리오풀로스, 루치아노 마이아니는 맛이 변하는 중성 전류의 실험적 비관찰을 설명하기 위해 GIM 메커니즘(초기 이름에서 이름이 붙여짐)을 제시했습니다.이 이론적 모델은 아직 발견되지 않은 매력 [38][39]쿼크의 존재를 요구했습니다.쿼크 맛으로 추정되는 수는 1973년 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데가 CP[nb 3][40] 위반의 실험적 관찰이 다른 쿼크 쌍이 있다면 설명될 수 있다고 언급했을 때 현재의 6개로 증가했습니다.

매력 쿼크는 1974년 11월 버튼 리히터가 이끄는 SLAC와 새뮤얼 팅이 이끄는 브룩헤이븐 국립 연구소에서 거의 동시에 생산되었습니다.매력 쿼크는 중간자에서 매력 반쿼크와 결합된 것으로 관찰되었습니다.두 당사자는 발견된 중간자에게 두 개의 다른 기호인 J와 ψ을
할당했고, 따라서 공식적으로 J/ψ 중간자로 알려지게 되었습니다.그 발견은 마침내 물리학계에 쿼크 모델의 [35]타당성을 확신시켰습니다.

그 후 몇 년 동안 쿼크 모델을 6개 쿼크로 확장하는 것에 대한 많은 제안이 나타났습니다.이 중 하임 하라리의[41] 1975년 논문은 추가 [42]쿼크에 대한 용어를 처음으로 만들어냈습니다.

1977년, 바닥 쿼크는 [43][44]레온 레더만이 이끄는 페르미랩의 팀에 의해 관찰되었습니다.이것은 꼭대기 쿼크의 존재를 보여주는 강력한 지표였습니다. 꼭대기 쿼크가 없었다면, 바닥 쿼크는 파트너가 없었을 것입니다.1995년이 되어서야 페르밀랩의 [5]CDF와[45] DØ[46] 팀도 꼭대기 쿼크를 최종적으로 관측했습니다.그것은 [47]예상했던 것보다 훨씬 더 큰 질량을 가지고 있었고,[48] 거의 금 원자의 질량만큼 컸습니다.

어원

한동안 겔만은 제임스 조이스의 1939년 책 피네건스 [49]웨이크에서 쿼크라는 단어를 발견하기 전까지 그가 주조할 용어의 실제 철자를 결정하지 못했습니다.

머스터 마크를 위한 쿼크 3개!
물론 그는 별로 짖지 않았습니다.
그리고 그가 가지고 있는 사람은 누구든 그것은 목표를 벗어난 것입니다.

쿼크라는 단어는 울음소리를[50] 의미하는 구식 영어 단어이고 위에 인용된 대사는 트리스탄과 아이술트의 [51]전설에서 콘월 왕 마크를 조롱하는 새 합창단에 관한 것입니다.특히 독일어를 사용하는 지역에서는 조이스가 커드 [53]치즈를 나타내는 슬라브어에서 유래한 독일어 단어 [52]쿼크에서 따왔다는 전설이 널리 퍼져 있지만 "사소한 [54]넌센스"의 구어적 용어이기도 합니다.전설에 따르면, 그는 [55][56]프라이부르크의 한 농부 시장에서 독일로 가는 길에 그것을 들었다고 합니다.그러나 일부 저자들은 조이스의 단어 [57]쿼크의 가능한 독일어 기원을 옹호합니다.겔만은 1994년 저서 '쿼크와 [58]재규어'에서 쿼크의 이름에 대해 더 자세히 설명했습니다.

1963년, 제가 핵자의 기본 구성 요소에 "쿼크"라는 이름을 할당했을 때, 저는 철자 없이 "kwork"일 수 있는 소리를 먼저 얻었습니다.그리고 나서, 제가 가끔 Finnegans Wake에 대해 쓴 James Joyce에 의해, 저는 "Muster Mark를 위한 세 개의 쿼크"라는 구절에서 "쿼크"라는 단어를 우연히 발견했습니다."quark"(한 가지로 갈매기 울음소리라는 뜻)는 "Mark"와 운을 맞추기 위한 것이 분명했기 때문에, "bark"와 다른 그런 단어들도 마찬가지였기 때문에, 저는 그것을 "kwork"로 발음할 구실을 찾아야 했습니다.하지만 이 책은 험프리 침팬지라는 이름의 공인의 꿈을 보여줍니다.텍스트의 단어는 일반적으로 거울을 통해의 "포트맨토" 단어와 같이 여러 출처에서 한 번에 추출됩니다.때때로 바에서 술을 마시라는 전화에 의해 부분적으로 결정되는 문구들이 책에서 발생합니다.따라서 저는 "Murster Mark를 위한 3쿼크"라는 외침의 여러 출처 중 하나가 "Mr. Mark를 위한 3쿼크"일 수 있다고 주장했습니다. 이 경우 "kwork"라는 발음이 완전히 정당화되지 않을 것입니다.어쨌든, 숫자 3은 자연에서 쿼크가 발생하는 방식으로 완벽하게 들어맞았습니다.

츠바이크는 자신이 이론화한 입자에 에이스라는 이름을 선호했지만, 쿼크 모델이 일반적으로 받아들여지자 [59]겔만의 용어가 유명해졌습니다.

쿼크 맛은 몇 가지 이유로 이름이 붙여졌습니다.업 쿼크와 다운 쿼크는 아이소스핀의 업과 다운 성분의 이름을 따서 지어졌습니다. 아이소스핀은 아이소스핀의 [60]업과 다운 성분을 가지고 있습니다.이상한 쿼크는 쿼크 모델이 제안되기 몇 년 전에 우주선에서 발견된 이상한 입자의 구성 요소라는 것이 발견되었기 때문에 이름이 붙여졌습니다; 이 입자들은 비정상적으로 긴 [61]수명을 가지고 있었기 때문에 "이상한" 것으로 간주되었습니다.비요르켄과 함께 매력 쿼크를 공동으로 제안한 글래쇼는 "우리는 우리의 구조를 '매력 쿼크'라고 불렀다, 왜냐하면 우리는 그것이 서브핵 [62]세계에 가져온 대칭성에 매료되고 기뻐했기 때문입니다."라고 말했습니다.하라리가 만든 "아래"와 "위"라는 이름은 "위 쿼크와 아래 [41][42][61]쿼크의 논리적 파트너"이기 때문에 선택되었습니다.바닥 쿼크와 꼭대기 쿼크의 대체 이름은 각각 [nb 4]"아름다움"과 "진실"이지만, 이 이름들은 다소 [66]사용되지 않습니다."진실"은 결코 이해하지 못했지만, 바닥 쿼크의 대량 생산에 전념하는 가속기 복합체는 때때로 "미용 공장"[67]이라고 불립니다.

특성.

전하

참고 항목:전하

쿼크는 맛에 따라 기본 전하(e)의 (-1/3) 또는 (+2/3) 곱인 부분 전하 값을 가집니다.업, 참, 그리고 톱 쿼크(일반적으로 업 타입 쿼크라고 함)는 +2/3 e의 전하를 가지고 있고, 다운, 기묘, 그리고 바텀 쿼크(다운 타입 쿼크)는 -1/3 e의 전하를 가지고 있습니다. 반쿼크는 상응하는 쿼크와 반대 전하를 가지고 있습니다. 업 타입 반쿼크는 -2/3 e와 다운 타입 반쿼크는 +1/3 e의 전하를 가지고 있습니다.c 하드론의 전하는 구성 쿼크의 전하의 합이며, 모든 하드론은 정수 전하를 가집니다: 3개의 쿼크(쿼크), 3개의 반쿼크(쿼크) 또는 1개의 쿼크와 반쿼크(중간자)의 조합은 [68]항상 정수 전하를 생성합니다.예를 들어, 원자핵의 강입자 성분인 중성자와 양성자는 각각 0e와 +1e의 전하를 가집니다. 중성자는 두 개의 다운쿼크와 하나의 업쿼크로 구성되어 있고, 두 개의 업쿼크와 하나의 [12]다운쿼크의 양성자는 두 개의 다운쿼크로 구성되어 있습니다.

스핀

참고 항목: 스핀(물리학)

스핀은 기본 입자의 본질적인 특성이며, 그 방향은 중요한 자유도입니다.그것은 때때로 물체가 그 자신의 축을 중심으로 회전하는 것으로 시각화되지만(따라서 "스핀"이라는 이름은), 기본 입자가 [69]점과 같은 것으로 믿기 때문에 아원자 규모에서는 다소 잘못된 개념입니다.

스핀은 감소된 플랑크 상수 δ("hbar"로 발음됨) 단위로 측정되는 벡터로 나타낼 수 있습니다.쿼크의 경우, 모든 축을 따라 스핀 벡터 성분을 측정하면 +θ/2 또는 -θ/2 값만 산출할 수 있습니다. 이러한 이유로 쿼크는 스핀-1/2 [70]입자로 분류됩니다.주어진 축을 따라 회전하는 성분(관습적으로 z축)은 위쪽 화살표 ↑(+1/2 값), 아래쪽 화살표 ↓(-1/2 값)로 표시되며 기호 뒤에 풍미를 표시합니다.예를 들어, z축을 따라 +1/2 회전하는 업 쿼크는 u↑[71]로 표시됩니다.

약한 상호작용

주요 기사:약한 상호작용
A tree diagram consisting mostly of straight arrows. A down quark forks into an up quark and a wavy-arrow W[superscript minus] boson, the latter forking into an electron and reversed-arrow electron antineutrino.
시간이 위쪽으로 흘러가는 베타 붕괴의 파인만 다이어그램.CKM 행렬(아래에서 논의됨)은 이것과 다른 쿼크 붕괴의 확률을 암호화합니다.

한 맛의 쿼크는 입자 물리학의 네 가지 기본 상호 작용 중 하나인 약한 상호 작용을 통해서만 다른 맛의 쿼크로 변환될 수 있습니다.W 보손을 흡수하거나 방출함으로써, 모든 업 타입 쿼크(위, 매력 및 위 쿼크)는 모든 다운 타입 쿼크(아래, 이상한 쿼크, 아래 쿼크)로 변할 수 있고, 그 반대도 마찬가지입니다.이 풍미 변환 메커니즘은 중성자(
n
)가 양성자(
p
), 전자(
e−
) 및 전자 반중성미자(
γ
e)로 "분할"되는 베타 붕괴의 방사성 과정을 유발합니다(그림 참조).이것은 중성자(
udd




)의 다운 쿼크 중 하나가 가상−
 W 보손을 방출하여 업 쿼크로 붕괴하여 중성자를 양성자(
uud




)로 변환할 때 발생합니다.그런−
 다음 W 보손은 전자와 [72]반중성미자로 붕괴합니다.


엔
 →
p의
 +
e−
 +
ν
e		 (베타 붕괴, 하드론 표기법)

유

디

디
 →
유

유

디
 +
e−
 +
ν
e		 (베타 붕괴, 쿼크 표기법)

베타 붕괴와 역 베타 붕괴의 역 과정은 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같은 의학 응용 분야와 중성미자 검출과 관련된 실험에서 일상적으로 사용됩니다.

Three balls "u", "c", and "t" noted "up-type quarks" stand above three balls "d", "s", "b" noted "down-type quark". The "u", "c", and "t" balls are vertically aligned with the "d", "s", and b" balls respectively. Colored lines connect the "up-type" and "down-type" quarks, with the darkness of the color indicating the strength of the weak interaction between the two; The lines "d" to "u", "c" to "s", and "t" to "b" are dark; The lines "c" to "d" and "s" to "u" are grayish; and the lines "b" to "u", "b" to "c", "t" to "d", and "t" to "s" are almost white.
6개의 쿼크 사이의 약한 상호작용의 강도.선의 "강도"는 CKM 행렬의 요소에 의해 결정됩니다.

풍미 변환 과정은 모든 쿼크에 대해 동일하지만, 각 쿼크는 자체 세대의 쿼크로 변환하는 선호도를 가집니다.모든 맛 변환의 상대적 경향은 CKM 행렬(Cabibbo-Kobayashi-Mascawa 행렬)이라는 수학적 표로 설명됩니다.단일성을 강화하기 위해 CKM 행렬의 항목의 대략적인 크기는 다음과 같습니다.[73]

여기서ij V는 맛 i의 쿼크가 맛 j의 쿼크로 변하는 경향을 나타냅니다.[nb 5]

폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬(PMNS 행렬)[74]이라고 불리는 렙톤에 대한 동등한 약한 상호작용 행렬(위 베타 붕괴 다이어그램의 W 보손 오른쪽)이 존재합니다.CKM 행렬과 PMNS 행렬이 함께 모든 풍미 변환을 설명하지만, 둘 사이의 연결은 아직 [75]명확하지 않습니다.

강한 상호작용과 색전하

참고 항목:색전하와 강한 상호작용
A green and a magenta ("antigreen") arrow canceling out each other out white, representing a meson; a red, a green, and a blue arrow canceling out to white, representing a baryon; a yellow ("antiblue"), a magenta, and a cyan ("antired") arrow canceling out to white, representing an antibaryon.
모든 종류의 강입자는 총 색전하가 없습니다.
쿼크의 세 가지 색, 세 개의 반쿼크, 여덟 개의 글루온(무전하 두 개가 중첩됨)에 대한 강한 전하의 패턴입니다.

양자 색역학 (QCD)에 따르면, 쿼크는 색전하라고 불리는 특성을 가지고 있습니다.색상 전하에는 파란색, 녹색, [nb 6]빨간색 세 가지 유형이 있습니다.그것들 각각은 반청색, 반청색, 그리고 반피로 된 반청색으로 보완됩니다.모든 쿼크는 색을 [76]가지고 있는 반면, 모든 반쿼크는 반색을 가지고 있습니다.

세 가지 색의 서로 다른 조합으로 충전된 쿼크 사이의 인력과 반발 시스템은 글루온으로 알려진 입자를 전달하는 힘에 의해 매개되는 강한 상호 작용이라고 불립니다. 이것은 아래에서 자세히 논의됩니다.강한 상호작용을 설명하는 이론은 양자 색역학(QCD)이라고 불립니다. 단일 색상 값을 갖는 쿼크는 해당 반색을 갖는 반쿼크와 결합된 시스템을 형성할 수 있습니다.두 개의 끌어당기는 쿼크의 결과는 색중성이 될 것입니다: 색전하가 π인 쿼크와 색전하가 π인 반쿼크는 0의 색전하(또는 "하얀" 색)와 중간자를 형성할 것입니다.이는 기본 광학의 가법 색상 모델과 유사합니다.유사하게, 각각 다른 색 전하를 가진 세 개의 쿼크 또는 각각 다른 반색 전하를 가진 세 개의 반쿼크의 조합은 동일한 "흰" 색 전하와 중입자 또는 반입자의 [77]형성을 초래할 것입니다.

현대 입자 물리학에서 게이지 대칭은 입자 간의 상호 작용을 연관시킵니다(게이지 이론 참조).색상 SU(3)(일반적으로 SU(3)c로 줄임)는 쿼크의 색상 전하와 관련된 게이지 대칭이며 양자 색역학을 [78]정의하는 대칭입니다.물리학의 법칙이 공간의 방향이 x, y, z로 지정되어 있고 좌표축이 새로운 방향으로 회전하면 변하지 않는 것처럼, 양자 색역학의 물리학은 3차원 색 공간의 방향이 파란색, 빨간색, 녹색으로 식별되는 것과 독립적입니다.SU(3)c 색 변환은 색 공간(수학적으로 복잡한 공간)의 "회전"에 해당합니다.쿼크 [79]색상에 해당하는 하위 유형B f, fG, f를R 각각 갖는 모든 쿼크 맛 f는 삼중항을 형성합니다: SU(3)c[80]의 기본 표현에 따라 변환되는 3성분 양자 필드.SU(3)c가 국소적이어야 한다는 요건, 즉 공간과 시간에 따라 SU의 변환이 달라질 수 있어야 한다는 요건이 강한 상호작용의 특성을 결정합니다.특히, 그것은 힘 [78][81]전달자 역할을 하는 8가지 글루온 유형의 존재를 암시합니다.

덩어리

비례 부피의 볼로서 비교하여 6가지 맛 모두에 대한 현재 쿼크 질량.양성자(회색)와 전자(빨간색)는 눈금을 위해 왼쪽 하단 모서리에 표시됩니다.
참고 항목:불변 질량

쿼크의 질량을 언급하는 데 두 가지 용어가 사용됩니다. 현재 쿼크 질량은 쿼크 자체의 질량을 나타내는 반면, 구성 쿼크 질량은 현재 쿼크 질량에 [82]쿼크를 둘러싼 글루온 입자 필드의 질량을 더한 것입니다.이러한 질량은 일반적으로 매우 다른 값을 갖습니다.대부분의 하드론 질량은 쿼크 자체보다는 구성 쿼크를 결합하는 글루온에서 나옵니다.글루온은 본질적으로 질량이 없지만 에너지, 더 구체적으로 양자 색역학 결합 에너지(QCBE)를 가지고 있으며, 이는 강입자의 전체 질량에 매우 크게 기여합니다(특수 상대성 이론의 질량 참조).예를 들어, 양성자의 질량은 약 938 MeV/c이며2, 그 중 세 개의 원자가 쿼크의 나머지 질량은 약 9 MeV/c만2 기여합니다. 나머지 대부분은 글루온의[83][84] 장 에너지에 기인할 수 있습니다(키랄 대칭 깨짐 참조).표준 모델은 기본 입자가 힉스 입자와 관련된 힉스 메커니즘에서 질량을 파생한다고 가정합니다.거의 [83][85]금 원자의 질량인 ~173 GeV/c의2 꼭대기 쿼크의 큰 질량에 대한 이유에 대한 추가 연구가 쿼크와 다른 기본 [86]입자의 질량의 기원에 대해 더 많이 밝혀낼 수 있기를 바랍니다.

크기

QCD에서 쿼크는 크기가 0인 점과 같은 실체로 간주됩니다.2014년 현재, 실험적인 증거는 그들이 양성자 크기의 10배 이하−4, 즉 10미터 [87]이하라는−19 것을 보여줍니다.

속성 표

참고 항목:맛(입자 물리학)

다음 표는 6개 쿼크의 주요 특성을 요약한 것입니다.풍미 양자 수(아이소스핀(I3), 매력(C), 이상도(S), 꼭대기(T), 바닥(B')은 특정 쿼크 맛에 할당되며 쿼크 기반 시스템과 강입자의 품질을 나타냅니다.중입자 수(B)는 모든 쿼크에 대해 +1/3입니다. 중입자는 세 개의 쿼크로 구성되어 있기 때문입니다.반쿼크의 경우 전하(Q)와 모든 풍미 양자수(B, I3, C, S, T, B')는 반대 부호입니다.질량 및 총 각운동량(J; 점 입자에 대한 스핀과 동일)은 반쿼크에 대한 기호를 변경하지 않습니다.

쿼크 맛 특성[83]
입자 질량*(MeV/c2) J B Q(e) I3 C S T B' 반입자
이름. 기호. 이름. 기호.
1세대
업.
유
 		2.3±0.7±0.5 1/2 +1/3 +2/3 +1/2 0 0 0 0 안티업
u
밑.
디
 		4.8±0.5±0.3 1/2 +1/3 −1/3 −1/2 0 0 0 0 반타협적
d
2세대
매력
다
 		1275±25 1/2 +1/3 +2/3 0 +1 0 0 0 매력이 없는
c
괴이한
s의
 		95±5 1/2 +1/3 −1/3 0 0 −1 0 0 거리가 먼
s
3세대
정상
t의
 		173210±510±710±710* 1/2 +1/3 +2/3 0 0 0 +1 0 대척점에
t
맨 아래
b의
 		4180±30 1/2 +1/3 −1/3 0 0 0 0 −1 아래쪽의
b

J = 총 각운동량, B = 중입자수, Q = 전하,
I3 = 아이소스핀, C = 매력, S = 이상함, T = 정상, B' = 바닥.

173210±510±710±710과 같은 표기법은 두 가지 유형의 측정 불확도를 나타냅니다.첫 번째 불확실성은 본질적으로 통계적이고, 두 번째 불확실성은 체계적입니다.

상호작용 쿼크

참고 항목:색 제한과 글루온

양자 색역학에 의해 설명된 바와 같이 쿼크 사이의 강한 상호 작용은 글루온, 질량이 없는 벡터 게이지 보손에 의해 매개됩니다.각 글루온은 컬러 전하 1개와 안티컬러 전하 1개를 가지고 있습니다.입자 상호 작용의 표준 프레임워크( 섭동 이론으로 알려진 더 일반적인 공식의 일부)에서 글루온은 가상 방출 및 흡수 과정을 통해 쿼크 사이에서 지속적으로 교환됩니다.예를 들어, 적색 쿼크가 적색 반녹색 글루온을 방출하면 녹색이 되고, 녹색 쿼크가 적색 반녹색 글루온을 흡수하면 적색이 됩니다.따라서 각 쿼크의 색상은 지속적으로 변화하지만 강한 상호 작용은 [88][89][90]유지됩니다.

글루온은 색전하를 가지고 있기 때문에, 그들 스스로 다른 글루온을 방출하고 흡수할 수 있습니다.이것은 점근적 자유를 야기합니다: 쿼크들이 서로 가까워질수록, 그들 사이의 색역학적 결합력은 [91]약해집니다.반대로 쿼크 사이의 거리가 증가하면 결합력이 강화됩니다.신축성 있는 밴드가 늘어나면 스트레스를 받는 것처럼 색장도 스트레스를 받게 되고, 필드를 강화하기 위해 적절한 색의 글루온이 자발적으로 더 많이 생성됩니다.특정 에너지 임계값 이상에서 쿼크와 반쿼크 쌍이 생성됩니다.이 쌍은 쿼크가 분리되면서 결합하여 새로운 강입자를 형성합니다.이 현상은 색 제한으로 알려져 있습니다: 쿼크는 절대로 [92][93]고립되어 나타나지 않습니다.이 강입자화 과정은 고에너지 충돌로 형성된 쿼크가 다른 방식으로 상호작용하기 전에 발생합니다.유일한 예외는 하드론화하기 [94]전에 붕괴할 수 있는 꼭대기 쿼크입니다.

바다 쿼크

강입자는 양자수에 기여하는 원자가
쿼크(q
v)와 함께 바다
쿼크(q
s)로 알려진 가상 쿼크-반쿼크(
q


) 쌍을 포함합니다.바다 쿼크는 하드론의 색장의 글루온이 분열될 때 형성됩니다. 이 과정은 두 바다 쿼크의 소멸이 글루온을 생성한다는 점에서 반대로 작용합니다.그 결과 글루온 분열과 구어적으로 "바다"[95]로 알려진 창조물의 지속적인 흐름이 만들어집니다.바다 쿼크는 원자가의 쿼크보다 훨씬 덜 안정적이며, 일반적으로 하드론 내부에서 서로를 소멸시킵니다.그럼에도 불구하고 바다 쿼크는 특정 상황에서 [96]중입자 또는 중입자 입자로 강입자화될 수 있습니다.

쿼크 물질의 다른 단계

주요 기사: QCD 문제
Quark–gluon plasma exists at very high temperatures; the hadronic phase exists at lower temperatures and baryonic densities, in particular nuclear matter for relatively low temperatures and intermediate densities; color superconductivity exists at sufficiently low temperatures and high densities.
쿼크 물질의 위상 다이어그램의 정성적 렌더링.다이어그램의 정확한 세부 사항은 진행 중인 [97][98]연구 대상입니다.

충분히 극단적인 조건에서 쿼크는 경계를 벗어난 상태에서 "불확정"이 되고 더 큰 매질에서 열화된 "자유" 여기로 전파될 수 있습니다.점근적 자유의 과정에서 강한 상호작용은 온도가 증가할 때 더 약해집니다.결국, 색 제한은 자유롭게 움직이는 쿼크와 글루온의 극도로 뜨거운 플라즈마에서 효과적으로 손실될 것입니다.물질의 이 이론적 단계를 쿼크-글루온 [99]플라즈마라고 합니다.

이 상태를 만드는 데 필요한 정확한 조건은 알려지지 않았으며 많은 추측과 실험의 대상이 되었습니다.추정치에 따르면 필요한 온도는 (1.90±0.02)×1012 [100]켈빈입니다.완전히 자유로운 쿼크와 글루온의 상태는 결코 달성되지 않았지만(1980년대와 1990년대 [101]CERN의 수많은 시도에도 불구하고), 상대론적 중이온 충돌기의 최근 실험은 "거의 완벽한" 유체 [102]운동을 나타내는 액체와 유사한 쿼크 물질에 대한 증거를 제시했습니다.

쿼크-글루온 플라즈마는 위아래 쿼크 쌍의 수와 관련하여 더 무거운 쿼크 쌍의 수가 크게 증가하는 것이 특징입니다.빅뱅(쿼크 시대) 이후 10초 전에는−6 온도가 너무 높아서 강입자가 [103]안정적이지 못했기 때문에 우주가 쿼크-글루온 플라스마로 가득 찼다고 믿어집니다.

중성자별에서 발견되는 것과 비슷한 충분히 높은 중입자 밀도와 상대적으로 낮은 온도를 고려할 때 쿼크 물질은 약하게 상호 작용하는 쿼크의 페르미 액체로 퇴화할 것으로 예상됩니다.이 액체는 색 쿼크 쿠퍼 쌍의 응축으로 특징지어져 국부적인 SU(3)c 대칭을 깨뜨릴 것입니다.쿼크 쿠퍼 쌍은 색전하를 포함하기 때문에 쿼크 물질의 이러한 위상은 색 초전도일 것입니다. 즉, 색전하는 [104]저항 없이 통과할 수 있습니다.

참고 항목

주석

  1. ^ 쿼크 물질의 더 이국적인 단계의 이론적 가능성도 있습니다.
  2. ^ 주요 증거는 4세대 중성미자가 ~45 GeV/c2 이상의 질량을 갖도록 제한하는 Z 보손의0
    공명 폭을 기반으로 합니다.    이것은 질량이 2 MeV/c를2 초과할 수 없는 다른 세 세대의 중성미자와 매우 대조적일 것입니다.
  3. ^ CP 위반은 왼쪽과 오른쪽이 바뀌면(P 대칭) 약한 상호작용이 다르게 작용하고 입자가 해당 반입자(C 대칭)로 대체되는 현상입니다.
  4. ^ "아름다움"과 "진실"은 키츠의 1819년 시 "그리스 도른의 송가"의 마지막 행에서 대조되며 그 [63][64][65]이름들의 기원이 되었을지도 모릅니다.
  5. ^ 한 쿼크가 다른 쿼크로 붕괴할 실제 확률은 (다른 변수 중에서도) 붕괴 쿼크의 질량, 붕괴 생성물의 질량 및 CKM 행렬의 해당 요소의 복잡한 함수입니다.이 확률은 해당 CKM 항목의 크기 제곱(Vij )에 정비례하지만 같지는 않습니다.
  6. ^ 이름에도 불구하고, 색전하는 가시광선의 색 스펙트럼과 관련이 없습니다.

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