바리온

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강입자
메손	파이온 · 케이온
바리온	양성자 · 중성자 · 펜타쿼크
주요 성질
아이소스핀

1. 개요2. 천문학적 의미의 바리온3. 바리온의 분류4. 바리온의 종류

4.1. 핵자4.2. 델타 바리온4.3. 람다 바리온4.4. 시그마 바리온4.5. 크사이 바리온4.6. 오메가 바리온4.7. 참 바리온4.8. 더블 참 바리온4.9. 보텀 바리온

1. 개요

Baryon

강한 상호작용이 작용하는 입자인 강입자 중 쿼크 3개로 이루어진 입자들이다. 천문학적으로는 우주에서 5% 정도 차지하는 빛[A]과 상호작용하는 눈에 보이는 물질[B]이라는 의미로 이해되는 경우가 많다.

2. 천문학적 의미의 바리온

천문학에서는 암흑물질이나 암흑에너지가 아닌, 빛[A]과 상호작용하는 눈에 보이는[B] 일반적인 물질의 대부분을 이루는 것 즉, 일반물질이라고 설명하고 있으며, 대충 우주의 5% 정도를 차지할 것으로 추정되고 있다. 특히 빛[A]과는 상호작용하지 않으면서도 질량이 있는 것으로 분명히 관측[C]되는 약 27%의 암흑물질과 함께(바리온과 합쳐서 약 32%) 우주 내에서 중력장으로 작용한다. 만유인력이라는 중력의 한문식 표현에도 있듯이 우주라고 표현되는 만물의 중력은 '인력'만이 작용한다는 것이 통념이나, 실제 우주에는 보이지 않는 척력이 작용하고 있고, 이는 적색편이의 관측으로 인한 우주의 팽창이라는 현상에 의해 입증된다. 이러한 우주 팽창이라는 현상을 야기하는 암흑에너지가 우주의 68%를 차지하는 것으로 추정되고 있다.

파일:external/www.quantumdiaries.org/disk-dark-matter.jpg

우주의 구성

위의 그래프에서 'visible matter'에 해당되는 것이 바리온에 해당한다.

3. 바리온의 분류

핵자(nucleon)가 이 속에 포함되며, 따라서 일반적으로 알고 있는 양성자, 중성자가 이 바리온에 속한다.

메손과는 달리 스핀이 반정수인 페르미온. 현재 160여 종류가 발견되었다.

바리온은 위(u), 아래(d) 쿼크의 개수와 아이소스핀에 따라 핵자(양성자, 중성자), 델타 바리온, 람다 바리온, 시그마 바리온, 크사이 바리온, 오메가 바리온의 여섯 가지로 분류한다.

아이소스핀은 업과 다운 쿼크의 조합이 나타나는 대칭을 분류하는 기준으로 쓰인다. 아이소스핀에 따라 바리온이 붕괴하는 방식이 달라진다. 예를 들어 바리온이 강한 상호작용으로 붕괴할 경우 아이소스핀이 보존되기 때문에 N → ΛK는 가능하지만 Δ → ΛK 는 불가능하다. 스핀과 마찬가지로 전자기 상호작용에서 아이소스핀은 보존되지 않는다. 아이소스핀 3번째 성분은 I₃ 라고 쓰며 아이소스핀 다중항들을 분류하는데 쓰인다.

위, 아래 쿼크의 개수가 3개:

아이소스핀 1/2: N
아이소스핀 3/2: Δ

위, 아래 쿼크의 개수가 2개:

아이소스핀 0: Λ
아이소스핀 1: Σ

위, 아래 쿼크의 개수가 1개: Ξ
위, 아래 쿼크의 개수가 0개: Ω

가벼운 쿼크(u,d,s) 쿼크로 이루어진 바리온은 다음과 같이 분류한다.

아이소스핀 다중항	구성	기묘도	아이소스핀
p n	uud, udd	0	1/2
Δ⁺⁺ Δ⁺ Δ⁰ Δ⁻	uuu, uud, udd, ddd	0	3/2
Λ	uds	-1	0
Σ⁺ Σ⁰ Σ⁻	uus, uds, dds	-1	1
Ξ⁰ Ξ⁻	uss, dss	-2	1/2
Ω⁻	sss	-3	0

4. 바리온의 종류

4.1. 핵자

기호	구성	I₃	질량	수명
p	uud	+1/2	938.272081(6) MeV	>3.6 × 10²⁹ y
n	udd	-1/2	939.565413(6) MeV	879.4 ± 0.6 s

4.2. 델타 바리온

기호	구성	I₃	질량	수명
Δ⁺⁺	uuu	+3/2	1230.9 ± 0.3 MeV	5.9 × 10^-24 s[7]
Δ⁺	uud	+1/2	1232.2 ± 0.5 MeV	5.6 × 10^-24 s[8]
Δ⁰	udd	-1/2	1233.6 ± 0.3 MeV	5.8 × 10^-24 s[9]
Δ^-	ddd	-3/2	1235.0 ± 0.35 MeV	5.6 × 10^-24 s[10]

[11]

4.3. 람다 바리온

기호	구성	I₃	질량	수명
Λ⁰	uds	0	1115.638(6) MeV	2.632(20) × 10^-10 s

63.9% 확률로 p π^- 로 붕괴한다.

4.4. 시그마 바리온

기호	구성	I₃	질량	수명
Σ⁺	uus	1	1189.37(7) MeV	8.018(26) × 10^-11 s
Σ⁰	uds	0	1192.642(24) MeV	(74±7) × 10^-21 s
Σ^-	dds	-1	1197.449(30) MeV	1.479(11) × 10^-10 s

4.5. 크사이 바리온

기호	구성	I₃	질량	수명
Ξ⁰	uss	+1/2	1314.86 ± 0.20 MeV	2.90(9) × 10^-10 s
Ξ^-	dss	-1/2	1321.71 ± 0.07 MeV	1.639(15) × 10^-10 s

한번에 붕괴하지 않고 연쇄적으로 붕괴하기 때문에 캐스케이드(cascade) 입자라고도 불린다.

4.6. 오메가 바리온

기호	구성	I₃	질량	수명
Ω⁻	sss	0	1672.45 ± 0.29 MeV	8.21(11) × 10^-11 s

4.7. 참 바리온

참 바리온은 맵시 쿼크를 포함한 바리온으로 입자 이름에 아래첨자 c를 붙인다.

아이소스핀 다중항	구성	기묘도	아이소스핀
Λ_c⁺	udc	0	0
Σ_c⁺⁺ Σ_c⁺ Σ_c⁰	uuc, udc, ddc	0	1
Ξ_c⁺ Ξ_c⁰	usc, dsc	-1	1/2
Ω_c⁰	ssc	-2	0

4.8. 더블 참 바리온

Doubly charmed baryon은 맵시 쿼크 2개를 가진 바리온으로 아래첨자 cc를 붙여 표기한다.

아이소스핀 다중항	구성	기묘도	아이소스핀
Ξ_cc⁺⁺[12] Ξ_cc⁺[13]	ucc, dcc	0	1/2
Ω_cc⁺[14]	scc	-1	0

Triply charmed baryon은 맵시 쿼크 3개로 이루어진 바리온으로 Ω_ccc⁺⁺ 이라 쓸 수 있으며 아직 발견되지 않았다.

4.9. 보텀 바리온

보텀 바리온은 바닥 쿼크를 지닌 바리온이다.

아이소스핀 다중항	구성	기묘도	아이소스핀
Λ_b⁰	udb	0	0
Σ_b⁺ Σ_b⁰[15] Σ_b^-	uub, udb, ddb	0	1
Ξ_b⁰ Ξ_b^-	usb, dsb	-1	1/2
Ω_b^-	ssb	-2	0

Doubly heavy baryon 이라 부르는 b나 c가 두 개 이상 포함된 바리온은 Ξ_cc을 제외하고는 발견되지 않았다. 또한 꼭대기 쿼크는 바리온을 형성하지 않을 것으로 예상된다.

각 상태에 대해서 들뜬 상태의 입자들이 여럿 발견되어 있으며 이러한 입자들은 Λ(1405)와 같이 입자 이름에 숫자를 붙여 나타내며, 이 숫자는 입자가 얼마나 무거운 지를 나타낸다.

특수한 바리온으로 펜타쿼크가 있다.

[A] 빛이라고 표현하기는 했으나, 여기에서의 빛은 고전적인 의미의 '가시광선'의 빛이 아닌, 감지하여 관측이 가능한 전자기파의 파장이라는 표현이 정확하다.[B] 이 역시도 '눈에 보이는'이라는 이해하기 쉬운 표현을 사용했으나, 인간이 관측이 가능한 '전자기파의 파장 신호의 한도 내'라는 표현이 정확하기는 하다.[A] [B] [A] [C] 중력을 통해서 관측된다[7] Γ= 111.0 ± 1.0 MeV[8] Γ~ 117 MeV[9] Γ= 113.0 ± 1.5 MeV[10] Γ~ 117 MeV[11] Δ++, Δ0 수명 및 질량 출처 Koch, R., & Pietarinen, E. (1980) Nucl.Phys.A 336 331; Δ+, Δ- 질량 출처 Capstick, S., & Workman, R. (1998). Δ isobar masses, large N c relations, and the quark model. Physical Review D, 59(1), 014032; Δ+, Δ- 수명 출처 PDG[12] 2017년 LHCb에서 발견[13] 2002년 발견되었으나 존재한다는 증거가 확실하지 않다.[14] 미발견[15] 미발견