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은(는) 여기로 연결됩니다. | 강입자 | |
| 메손 | 파이온 · 케이온 |
| 바리온 | 양성자 · 중성자 · 펜타쿼크 |
| 주요 성질 | |
| 아이소스핀 | |
1. 개요
바리온(baryon)은 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.| 우주의 구성 |
위의 그래프에서 'visible matter'에 해당되는 것이 바리온에 해당한다.
빅뱅 핵합성(BBN)이나 우주배경복사(CMB) 관측결과를 통해 바리온-반바리온의 비대칭성 값을 측정할 수 있다. 하지만 입자물리학의 표준모형은 이 비대칭성을 설명하기에 불충분해서 새로운 바리온 생성(Baryogenesis) 모형을 필요로 한다. 잘 알려진 바리오제네시스 모형은 다음과 같다.
- 전약 바리온 생성(Electro-Weak Baryogenesis): 일반적인 2차 상전이가 아니라 1차 상전이가 요구된다. 가짜 진공에서 진짜 진공으로 상전이가 일어나면서 버블이 형성되고, 그 과정에서 비대칭성이 생성된다.
- 대통일이론 바리온 생성(GUT Baryogenesis)
- 아플렉-다인 바리온 생성(Affleck-Dine Baryogenesis): 초대칭 이론의 D-평평성 방향을 활용한 모형이다.
- 렙톤 생성(Leptogenesis): 비활성 중성미자가 붕괴하면서 렙톤 비대칭성이 먼저 생성되고, 스팔레론(sphaleron) 과정을 통해 바리온 비대칭성으로 전환된다.
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
| 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] |
4.3. 람다 바리온
| 기호 | 구성 | I3 | 질량 | 수명 |
| Λ0 | uds | 0 | 1115.638(6) MeV | 2.632(20) × 10-10 s |
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 |
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 |
| Λc+ | udc | 0 | 0 |
| Σc++ Σc+ Σc0 | uuc, udc, ddc | 0 | 1 |
| Ξc+ Ξc0 | usc, dsc | -1 | 1/2 |
| Ωc0 | 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 |
| Ξcc++[12] Ξcc+[13] | ucc, dcc | 0 | 1/2 |
| Ωcc+[14] | scc | -1 | 0 |
4.9. 보텀 바리온
보텀 바리온은 바닥 쿼크를 지닌 바리온이다.| 아이소스핀 다중항 | 구성 | 기묘도 | 아이소스핀 |
| Λb0 | udb | 0 | 0 |
| Σb+ Σb0[15] Σb- | uub, udb, ddb | 0 | 1 |
| Ξb0 Ξb- | usb, dsb | -1 | 1/2 |
| Ωb- | ssb | -2 | 0 |
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