양성자와 중성자

이 세상의 입자는 페르미 입자와 보손 입자로 나눠집니다.
우리가 아는 원자는 양성자, 중성자 그리고 전자로 이루어집니다.안녕하세요 @chosungyun입니다.

여기서 양성자와 중성자는 업쿼크와 다운쿼크로 이루어져 있습니다.
양성자의 경우는 업쿼크 2개와 다운쿼크 1개로 이루어져 있고 중성자의 경우는 업쿼크 한 개와 다운쿼크 2개로 이루어져 있습니다.

그리고 각 쿼크가 결합할 수 있도록 강력을 제공하는 힘을 매개하는 입자 글루온이 각 쿼크를 결합할 수 있도록 합니다.
한편, 양성자와 중성자의 결합은 핵력이라고 하는데 초창기에는 이 핵력이 곧 강력이라고 생각했지만 쿼크 개념이 받아지면서 강력은 글루온에 의한 강력을 이야기하는 것으로 생각하면 됩니다.
그렇다면 핵력은 무엇일까요?
핵력은 파이온이라는 중간자에 의해 힘이 매개됩니다. 저번 포스팅에서 소개한 스핀양자수가 정수인 보손입자입니다.
이 파이온은 일본의 물리학자인 유카와가 발견을 해서 일본에서의 최초 노벨상 수상자가 되기도 했습니다.
파이온은 또 새로운 힘을 매개하는 것은 아니고 근본적으로 글루온에 의해 발생하는 힘입니다.
양성자와 중성자 사이에 각 쿼크끼리를 글루온에 의해 매개되는데 이때 발생하는 파이온 중간자가 핵력을 매개하게 됩니다.

원자핵의 구성에 대해 간단히 알아보았는데 양성자와 중성자중에 무엇이 더 무거울까요?
양성자는 업쿼크가 2개 다운쿼크 1개, 중성자는 업쿼크 1개 다운쿼크 2개입니다.
이 중에 다운쿼크가 업쿼크보다 더 무겁습니다.
그래서 중성자가 더 무겁습니다.
거의 미묘한 질량 차이이기는 하지만 양성자와 전자의 무게를 합쳐도 중성자의 무게보다 작습니다.

다운쿼크는 업쿼크보다 무거운 만큼 업쿼크보다 불안정합니다.
그래서 중성자와 양성자가 같이 있을 때, 원자핵 상태일때는 안정적이지만 중성자 홀로 존재하면
약 10분의 반감기를 가지고 붕괴해버립니다.
이때, 다운쿼크 하나가 업쿼크로 바뀌면서 양성자로 바뀌는 베타 마이너스 붕괴를 하게 됩니다.

이런 이유로 수소와 같이 양성자는 홀로 존재하지만 중성자는 홀로 존재하지 못합니다.
만약 중성자가 더 가벼웠다면 수소는 존재하지 못했을 것이고 완전 다른 세상이 되었겠죠?