바닥 쿼크(bottom quark)는 입자물리학의 표준 모형에서 쿼크의 여섯 가지 맛(flavor) 가운데 하나로, 제3세대에 속하는 기본 입자이다. 기호는 b이며, 영어 명칭은 'bottom quark', 다른 이름으로는 '아름다운 쿼크(beauty quark)'라고도 불린다.
기본 성질
바닥 쿼크는 전하가 −1/3 e인 down형 쿼크이다. 스핀은 1/2이며 페르미온에 해당한다. 색전하를 지니므로 강한 상호작용을 겪으며, 그 외에도 약한 상호작용, 전자기력, 중력에 모두 참여한다. 반입자는 바닥 반쿼크(anti-bottom quark)이다.
바닥 쿼크의 정지 질량은 약 4.18 GeV/c²(MS 방식 기준)으로, 양성자 질량의 약 네 배보다 크고, 가벼운 쿼크들(위 쿼크, 아래 쿼크)의 수천 배에 달한다. 이는 바닥 쿼크가 세대 중에서도 상당히 무거운 입자임을 의미한다.
이론적 도입과 발견
바닥 쿼크는 1973년 일본의 물리학자 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데가 CP 대칭성 깨짐을 설명하기 위해 이론적으로 처음 도입되었다. 이들은 이 공로로 2008년 노벨 물리학상을 수상하였다.
실험적으로는 1977년 리언 레더먼(Léon Lederman)이 이끄는 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)의 E288 실험팀이 입실론(Υ) 중간자를 관측하면서 처음 발견되었다. 입실론 중간자는 바닥 쿼크와 그 반쿼크로 구성된 바닥 쿼코늄 상태이다.
'바닥(bottom)'이라는 이름은 1975년 하임 하라리(Haim Harari)가 붙였다. 당시 '아름다움(beauty)'이라는 명칭도 제안되었으나, 위/아래(up/down) 세대 명명과의 유사성 때문에 '바닥'이라는 이름이 주로 사용되었다.
붕괴와 고유한 특징
바닥 쿼크는 약한 상호작용을 통해 위 쿼크나 맵시 쿼크로 붕괴할 수 있다. CKM 행렬의 원소 Vub와 Vcb가 작은 값을 가지므로, 바닥 쿼크는 가벼운 쿼크로 전이되는 비율이 낮다. 이 때문에 바닥 쿼크를 포함하는 입자들의 평균 수명은 약 10⁻¹²초로, 맵시 입자(약 10⁻¹³초)보다는 길고 기묘 입자(약 10⁻¹⁰에서 10⁻⁸초)보다는 짧다.
높은 질량과 낮은 전이율의 조합은 바닥 쿼크를 포함한 실험적 충돌 부산물을 'B-표지(B-tagging)'라는 기술을 통해 상대적으로 구분하기 쉽게 만든다. 이러한 특성 때문에 바닥 쿼크를 지니는 중간자는 질량에 비해 수명이 길며, CP 대칭성 깨짐을 연구하는 데 유용하게 활용된다. 이러한 실험은 BaBar, 벨(Belle), LHCb 등에서 수행되었다.
바닥 쿼크를 포함하는 강입자
바닥 쿼크를 포함하는 강입자로는 다음이 있다.
- B 중간자: 바닥 쿼크(또는 그 반입자)와 위 쿼크 또는 아래 쿼크로 구성된다.
- Bc, Bs 중간자: 각각 바닥 쿼크와 맵시 쿼크 또는 기묘 쿼크를 포함한다.
- 바닥 쿼코늄 상태: 바닥 쿼크와 그 반쿼크로 이루어진 입자들로, 입실론(Υ) 중간자 등이 대표적이다.
- 바닥 중입자: 예를 들어 Λ⁰b 등이 있으며, 기묘 중입자와 대응되도록 명명되었다.
바닥 쿼크는 꼭대기 쿼크의 붕괴에서 거의 대부분 생성되며, 힉스 보손의 붕괴에서도 자주 생성되는 것으로 알려져 있어 고에너지 입자물리학 연구에서 중요한 위치를 차지한다.
