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핵물리학 Nuclear Physics |
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1. 개요
Beta Decay베타(β, beta) 붕괴는 방사성 붕괴 중 하나로, 베타선(높은 속도의 전자 혹은 양전자)과 중성미자가 방출되는 현상이다. 전자와 전자 반중성미자가 방출되면 '음의 베타 붕괴'(β-), 양전자와 전자 중성미자가 방출되면 '양의 베타 붕괴'(β+)라고 한다. 이 두 베타 붕괴 반응을 각각 그냥 베타 붕괴와 역 베타 붕괴(inverse beta decay)라고 부르기도 한다. 약한 상호작용이 주로 관여해 음의 베타 붕괴에서는 다운 쿼크가 업 쿼크로, 양의 베타 붕괴에서는 업 쿼크가 다운 쿼크로 바뀐다. 한편 양의 베타 붕괴(역 베타 붕괴)처럼 보이지만 양전자가 방출되는 대신 전자가 흡수되는 식으로 진행되는 반응도 있는데,[1] 이걸 전자 포획(electron capture)이라고 부른다.
고등학교에서는 지구과학1에서 방사성 동위 원소 붕괴 과정을 설명할 때 간접적으로 등장한다.
약한 상호 작용에 대해 더 자세히 알고 싶다면 여기로 #
2. 특징
아주 잠깐 동안 W 보손(음의 베타 붕괴에선 W-, 양의 베타 붕괴에선 W+)이 존재했다가 전자+전자 반중성미자나 양전자+전자 중성미자로 되는 것으로 볼 수 있다. W 보손의 질량은 80.4 GeV로 전자 질량 0.5111 MeV의 150,000배가 넘지만 그럼에도 W 보손이 생기는데, 이건 파인만 다이어그램 상에서의 가상 입자(virtual particle)가 원래 질량을 꼭 가질 필요가 없다는 것에 기인한다. 즉, 베타 붕괴에서 등장하는 W 보손의 질량이 80.4 GeV보다 훨씬 작을 수 있다.[2]신이 왼손잡이라니 믿을 수 없다.
I do not believe that the Lord is a weak left-hander.
볼프강 에른스트 파울리, 1957년 1월 17일 빅토어 바이스코프(Victor Weisskopf)에게 보낸 편지에서
1957년
핵물리학자
우젠슝[3]이 발견한 바, 극저온의
코발트-60을 강한
자기장으로 정렬시켜 베타 붕괴를 관측하던 중 전자들은 왼쪽으로만 나오는 것이 확인되었다. I do not believe that the Lord is a weak left-hander.
볼프강 에른스트 파울리, 1957년 1월 17일 빅토어 바이스코프(Victor Weisskopf)에게 보낸 편지에서
해당 실험에 관해 과학자들의 경쟁을 보여주는 일화가 있다. 양전닝과 리정다오는 우젠슝에게 패리티 위반 관련 실험을 수행하도록 독려했고 우젠슝은 1956년 12월 27일에 실험결과를 얻어 이를 양전닝과 리정다오에 알린다. 리정다오를 통해 실험소식을 전해들은 컬럼비아 대학의 리언 레더먼은 급하게 밤새워가며 실험을 수행해 1월 8일 우젠슝과 같은 결과를 얻어내는데 성공했다. 컬럼비아 대학의 연구진은 1월 15일 실험결과를 학술지에 투고하면서 언론발표를 진행했다. 우젠슝과 컬럼비아 연구팀이 각자 1월 15일에 제출한 논문은 2월 15일 피지컬 리뷰에 게재된다. 한편 파울리는 1월 17일의 위에서 인용된 편지를 작성할 당시 이러한 실험결과에 대해 알지 못한 상태였다고 전해진다.
약한 상호작용은 오직 왼손잡이 입자 또는 오른손잡이 반입자와 상호작용하기 때문에 베타 붕괴에는 오직 왼손잡이 전자만 참여한다. 이는 약한 상호작용이 패리티 대칭을 위반한다는 것을 보여준다.