양성자와 중성자

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

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?