페르미온( fermion 퍼미온)

[뽀야]

페르미온( fermion 퍼미온) 또는 페르미 입자는 페르미-디랙 통계를 따르는 입자다.

페르미온은 반정수의 스핀을 가진다.

이 이름은 이탈리아의 물리학자인 엔리코 페르미의 이름을 땄다. 모든 입자는 (애니온 따위를 제외하고) 그 스핀 혹은 통계에 따라 페르미온과 보손으로 나눈다.

아래의 표준모형에서  처음 세 열(보라색과 연두색)이 페르미온이다.

기본 페르미온

현재 알려진 기본 입자 가운데 페르미온은 다음과 같다.

• 쿼크는 중입자와 중간자를 구성하는 입자이다. 색가둠으로 인해 독립적으로 존재하지 못한다. 이 가운데, 안정된 입자 (양성자와 핵 속의 중성자)를 구성하는 쿼크는 업 쿼크와 다운 쿼크밖에 없다.
• 렙톤은 자유롭게 존재하는 입자이며, 두 종류로 나뉜다.
  • 대전된 렙톤들은 전자 및 이와 유사한 입자들 뮤온과 타우온이 있다. 이들 가운데 오직 전자만이 안정하다.
  • 중성미자들은 전기적으로 중성이며, 다른 입자들에 비해 현저히 가볍지만 매우 미세한 양의 질량을 가진다. 이들은 모두 안정하다.

표준 모형의 페르미온들은 중입자수 또는 렙톤 수라는 양자수를 가진다.

쿼크의 경우 중입자수를, 렙톤의 경우 렙톤 수를 가진다.

초대칭이나 각종 대통일 이론 등, 표준 모형을 확장하는 모형들은 대부분 추가 페르미온을 예측하나, 이들은 아직 발견되지 않았다.

합성 페르미온

홀수개의 페르미온으로 구성된 합성 입자는 페르미온을 이룬다. 예를 들어, 핵자를 비롯한 중입자는 세 개의 쿼크로 이루어진 합성 페르미온이다. 이 밖에도, 순수하게 보손 장으로만 구성된 솔리톤인 스커미온 또한 페르미온을 이룬다.

페르미온 성질

스핀

양자장론의 스핀-통계 정리에 따라, 로런츠 대칭이 깨지지 않는 이상 모든 페르미온은 항상 반정수의 스핀을 갖는다. 즉, 가능한 스핀은 1/2, 3/2, 5/2, … 따위다. 기본 페르미온의 경우, 와인버그-위튼 정리에 따라 보통 1/2과 3/2만이 가능하다고 여겨지며, 이 가운데 후자는 아직 발견되지 않았다.(후자는 초중력 이론의 그래비티노에 해당한다.)

통계역학

페르미온의 로렌츠 표현

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중입자

중입자(重粒子) 또는 바리온( baryon)은 세 개의 쿼크로 이루어진 강입자이다

한 개의 쿼크와 한 개의 반쿼크로 이루어지는 중간자(메존)와 대비된다. 대표적인 예로양성자와 중성자가 있다.

중입자는 쿼크로 이루어져 있으므로 강한 상호작용을 느낀다. 가장 잘 알려진 중입자는 핵자(양성자와 중성자)다. 이는 우주에서 눈에 보이는 (암흑 물질이나 암흑 에너지가 아닌) 물질의 대부분을 이룬다. 반면에 (원자의 또다른 주요 구성요소인) 전자는 렙톤이다. 각각의 바리온은 대응되는 반입자(반중입자)를 가지고 있는데 이때 구성하는 각각의 쿼크들이 그 반쿼크로 대치된다. 이를테면, 양성자는 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 구성되는데, 이에 대응되는 반양성자는 두 개의 위 반쿼크와 하나의 아래 반쿼크로 구성된다.

영명 "바리온"의 어원은 무거움을 뜻하는 고대 그리스어: βαρύς 바리스[*])와 입자를 뜻하는 접미사 영어: -on이다. 이는 중입자가 렙톤(경입자)에 속하는 전자, 뮤온, 중성미자보다 현저히 무겁기 때문이다. 하지만 가장 무거운 렙톤인 타우 입자는 가장 가벼운 중입자인 양성자 및 중성자보다 두 배 더 무겁다.

중입자는 양자수 중입자수를 갖는다. 표준 모형은 중입자수를 보존한다.

• 양성자, 중성자는 1
• 쿼크는 1/3
• 반물질은 부호가 반대이다.

대부분의 대통일 이론은 중입자수를 보존하지 않는다. 양성자 붕괴가 대표적인 예다.

그러나 아직까지 실험으로 검증되지 않았다.

중입자는 포함된 가벼운 쿼크 (위 쿼크와 아래 쿼크)의 수에 따라 다음과 같이 분류한다.

• 가벼운 쿼크 3개: 핵자 또는 델타
• 가벼운 쿼크 2개: 람다, 시그마
• 가벼운 쿼크 1개: 크시
• 가벼운 쿼크 0개: 오메가

오메가 중입자 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

중간자 

중간자(中間子) 또는 메손(meson)은 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크로 이루어진 하드론으로, 스핀이 0 또는 1인 보존(boson) 입자이다. 주된 예로 파이온과 케이온이 있다.

양자색역학의 색가둠으로 인하여, 쿼크는 무색의 하드론으로만 존재할 수 있다.

입자물리학 초기에는 오직 가벼운 (경입자) 전자와 무거운 (중입자) 핵자만이 알려졌다.

 유카와 히데키가 1935년에 핵자 사이의 강한 상호작용을 설명하기 위하여 강력을 매개하는 입자를 도입하였다.

 유카와는 강력의 거리 범위로부터 이 입자의 질량을 계산한 결과 그 질량이 전자와 핵자의 중간 정도라는 사실을 알아내고, 이 때문에 이 입자를 "중간자"라고 이름지었다.

이후 그가 예측한 질량을 가진 입자가 발견되었으나, 이 입자는 (유카와의 이론과 달리) 강한 상호작용을 하지 않았다.

이 입자는 "뮤 중간자" 또는 뮤온라고 이름지어졌다. 얼마 뒤 비슷한 질량의 입자가 하나 더 발견되었다.

이 입자는 유카와가 예측한 대로 강한 상호작용을 하는 것으로 밝혀졌다.

이 입자는 "파이 중간자" 또는 파이온이라고 이름지어졌다. (오늘날 뮤온은 중간자가 아니라 경입자로 여겨진다.)

오래지 않아, 파이온과 비슷한 성질을 지니고 더 무거운 수많은 입자가 발견되었다.

주요 입자로 케이온, 로 중간자, 에타 중간자, 쿼코늄 등이 있다. 오늘날 "중간자"라는 이름은 이들 입자를 통틀어 일컫는다.

쿼크 모형의 도입으로, 중간자가 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크의 조합임이 알려졌다.

중간자는 포함된 쿼크의 질량에 따라 다음과 같이 분류한다.

• 업과 다운: 파이
• 스트레인지 이하: 케이
• 참 이하: 디
• 보텀 이하: 비
• 톱 이하: 티
• 한 쿼크와 그 반쿼크: 에타