反映自旋和宇稱相同、質量相近而電荷數不同的幾種粒子歸屬性質的量子數，例如，中子和質子的同位旋相同，但是同位旋的第三分量I3不同，分別為-1/2和+1/2，且呈現對稱。同位旋擁有三個分量，在強相互作用中，同位旋守恆；在弱相互作用中，同位旋不守恆。
基本介紹
- 中文名：同位旋
- 外文名：isospin
- 學科類別：理論物理，粒子物理，高能物理
定義,詳細內容,理論發展,弱同位旋,與手征性的關係,弱同位旋與W玻色子,
定義
同位旋（Isospin），為與強相互作用相關的量子數。1932年，海森堡為解釋新發現中子的對稱性而引入同位旋。對於強力相同而電荷不同的粒子，可以看作是相同粒子處在不同的電荷狀態，我們用同位旋來描述這種狀態。同位旋並不是自旋，也不具有角動量的單位。它是無量綱的一個物理量。之所以叫做“同位旋”，只是因為其數學描述與自旋很類似。
同位旋守恆是味守恆的一種。
詳細內容
同位旋是粒子的性質之一。實驗表明，核力具有電荷無關性，質子和質子、中子和中子及質子和中子之間的核力是相同的，這說明就核力的性質而言，質子與中子之間沒有區別，因此把質子和中子看成同一種粒子的兩種不同狀態。有些粒子（強子）質量很接近，但電量不同，每一組這樣的粒子可以看做同一粒子處於不同的態。如質子、中子為兩重態；π+、π0、π-為多重態等。為描述強子的多重態，引入一個稱為同位旋的量子數I。在強相互作用過程中，I守衡；弱相互作用、電磁作用過程中，I不守衡。同一多重態的粒子同位旋相同。類比自旋的概念引入抽象的同位旋空間，質子和中子是同位旋I相同，同位旋第3分量I3不同的兩種狀態，由此可確定它們的同位旋I=1/2，質子的I3=1/2，中子的I3=－1/2，它們組成同位旋二重態，它們質量上的微小差異來自I3的不同，猶如自旋取向不同引起自旋-軌道耦合的微小能量差異。同樣Σ±、Σ0組成同位旋三重態，它們的同位旋I=1，同位旋第三分量I3分別為±1和0。原子核的同位旋可由質子和中子的同位旋“合成”得到，強子的同位旋由組成強子的夸克的同位旋“合成”得到。強相互作用下系統的同位旋和同位旋第三分量均守恆。對於一組多重態的粒子數a，I=（a-1）/2。
對於同位旋的進一步認識是，強子的同位旋反映了組成強子的 u夸克和 d夸克之間的對稱性。強相互作用的同位旋轉動不變性反映了強相互作用與夸克的味無關性的一個方面的表現。強子的同位旋量子數I和I3可以由組成強子的u夸克和 d夸克的同位旋“合成”得到。
同位旋是模仿自旋的概念提出來的。一種將自旋與“常見物體”類比的方法是，考慮一個繞固定點轉動的剛體桿，桿的一段連線在固定桿上。這種轉動形成一個SO（3）群。將自旋的概念套用於電子這樣的粒子上，恰當的對稱性描述是SU（2）群，它與SO(3)群只有細微的不同。與一個自旋的陀螺要么順時針轉動要么逆時針轉動類似，電子的自旋值也有限制，這些可以從某些原子光譜的分裂中看出來。
理論發展
由量子分子動力學通常套用的動量相關公式出發，引入同位旋自由度後得到了在量子分子動力學中可用於數值計算的同位旋依賴的動量相關作用，並用這個公式比較系統地研究了在它的作用下同位旋分餾比的入射道效應和它們的動力學機理。
弱同位旋
在粒子物理學中，弱同位旋是一個與弱相互作用相關聯的量子數，類比了強相互作用中同位旋的觀點。弱同位旋通常用T或I來表示，其第三分量則寫作Tz、T3、Iz或I3。弱同位旋是對弱超荷的一個補充，其一起統一了弱相互作用和電磁相互作用。
弱同位旋守恆定律表明了弱同位旋第三分量T3的守恆：在所有弱相互作用過程中，T3必須守恆。T3也在其它已知相互作用中守恆，因此它是一個廣泛守恆的量子數。因為這個緣故，T3是一個比T本身更重要的量子數，經常術語“弱同位旋”就代表著“弱同位旋第三分量”。
與手征性的關係
有著負手征性（又稱為“左旋”）的費米子有T=⁄2，並能夠兩兩配對使T3=±⁄2，這樣的一對費米子在弱相互作用下表現相同。例如，上類夸克（u、c、t）有T3=+⁄2，經常衰變為下類夸克：（d、s、b），帶有T3=-⁄2，或者是反過來。另一方面，一個夸克從來不會弱衰變為T和自己相同的夸克。對於左旋輕子也是這樣，存在由T3=-⁄2的帶電輕子（e、μ、τ）和T3=+⁄2的中微子（νe、νμ、ντ）組成的對。
弱同位旋與W玻色子
與弱同位旋相關的對稱性是SU(2)。這一對稱性需要能改變弱同位旋荷的玻色子：W、W和W。這暗示W玻色子有T= 1，並且有不同值的T3。
- W玻色子（T3= +1）在過程{(T3= +⁄2) → (T3= -⁄2)}中被發射，
- W玻色子（T3= -1）在過程{(T3= -⁄2) → (T3= +⁄2)}中被發射，
