[科普中國]-同位旋

反映自旋和宇稱相同、質(zhì)量相近而電荷數(shù)不同的幾種粒子歸屬性質(zhì)的量子數(shù)，例如，中子和質(zhì)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(xiàn)對稱。同位旋擁有三個分量，在強(qiáng)相互作用中，同位旋守恒；在弱相互作用中，同位旋不守恒。

定義同位旋（Isospin），為與強(qiáng)相互作用相關(guān)的量子數(shù)。1932年，海森堡為解釋新發(fā)現(xiàn)中子的對稱性而引入同位旋。對于強(qiáng)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(tài)，我們用同位旋來描述這種狀態(tài)。同位旋并不是自旋，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(shù)學(xué)描述與自旋很類似。

在強(qiáng)相互作用過程中，同位旋守恒，但在弱相互作用、電磁相互作用過程中，同位旋不一定守恒。強(qiáng)子的同位旋反映了組成強(qiáng)子的上夸克和下夸克之間的對稱性。

同位旋守恒是味守恒的一種。

詳細(xì)內(nèi)容同位旋是粒子的性質(zhì)之一。實驗表明，核力具有電荷無關(guān)性，質(zhì)子和質(zhì)子、中子和中子及質(zhì)子和中子之間的核力是相同的，這說明就核力的性質(zhì)而言，質(zhì)子與中子之間沒有區(qū)別，因此把質(zhì)子和中子看成同一種粒子的兩種不同狀態(tài)。有些粒子（強(qiáng)子）質(zhì)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于不同的態(tài)。如質(zhì)子、中子為兩重態(tài)；π+、π0、π-為多重態(tài)等。為描述強(qiáng)子的多重態(tài)，引入一個稱為同位旋的量子數(shù)I。在強(qiáng)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(tài)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(zhì)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(tài)，由此可確定它們的同位旋I=1/2，質(zhì)子的I3=1/2，中子的I3=－1/2，它們組成同位旋二重態(tài)，它們質(zhì)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(tài)，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(zhì)子和中子的同位旋“合成”得到，強(qiáng)子的同位旋由組成強(qiáng)子的夸克的同位旋“合成”得到。強(qiáng)相互作用下系統(tǒng)的同位旋和同位旋第三分量均守恒。對于一組多重態(tài)的粒子數(shù)a，I=（a-1）/2。

目前對于同位旋的進(jìn)一步認(rèn)識是，強(qiáng)子的同位旋反映了組成強(qiáng)子的 u夸克和 d夸克之間的對稱性。強(qiáng)相互作用的同位旋轉(zhuǎn)動不變性反映了強(qiáng)相互作用與夸克的味無關(guān)性的一個方面的表現(xiàn)。強(qiáng)子的同位旋量子數(shù)I和I3可以由組成強(qiáng)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(zhuǎn)動的剛體桿，桿的一段連接在固定桿上。這種轉(zhuǎn)動形成一個SO（3）群。將自旋的概念應(yīng)用于電子這樣的粒子上，恰當(dāng)?shù)膶ΨQ性描述是SU（2）群，它與SO(3)群只有細(xì)微的不同。與一個自旋的陀螺要么順時針轉(zhuǎn)動要么逆時針轉(zhuǎn)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(fā)展由量子分子動力學(xué)通常應(yīng)用的動量相關(guān)公式出發(fā)，引入同位旋自由度后得到了在量子分子動力學(xué)中可用于數(shù)值計算的同位旋依賴的動量相關(guān)作用，并用這個公式比較系統(tǒng)地研究了在它的作用下同位旋分餾比的入射道效應(yīng)和它們的動力學(xué)機(jī)理。

弱同位旋在粒子物理學(xué)中，弱同位旋是一個與弱相互作用相關(guān)聯(lián)的量子數(shù)，類比了強(qiáng)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(bǔ)充，其一起統(tǒng)一了弱相互作用和電磁相互作用。

弱同位旋守恒定律表明了弱同位旋第三分量T3的守恒：在所有弱相互作用過程中，T3必須守恒。T3也在其它已知相互作用中守恒，因此它是一個廣泛守恒的量子數(shù)。因為這個緣故，T3是一個比T本身更重要的量子數(shù)，經(jīng)常術(shù)語“弱同位旋”就代表著“弱同位旋第三分量”。

與手征性的關(guān)系有著負(fù)手征性（又稱為“左旋”）的費(fèi)米子有T=?2，并能夠兩兩配對使T3=±?2，這樣的一對費(fèi)米子在弱相互作用下表現(xiàn)相同。例如，上類夸克（u、c、t）有T3=+?2，經(jīng)常衰變?yōu)橄骂惪淇耍海╠、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?yōu)門和自己相同的夸克。對于左旋輕子也是這樣，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。

有著正手征性（又稱“右旋”）的費(fèi)米子有T=0，只能單個作為一組，不參與弱相互作用1。

弱同位旋與W玻色子與弱同位旋相關(guān)的對稱性是SU(2)。這一對稱性需要能改變?nèi)跬恍傻牟Ｉ樱篧、W和W。這暗示W(wǎng)玻色子有T= 1，并且有不同值的T3。

W玻色子（T3= +1）在過程{(T3= +?2) → (T3= -?2)}中被發(fā)射，

W玻色子（T3= -1）在過程{(T3= -?2) → (T3= +?2)}中被發(fā)射，

W玻色子（T3= 0）會在T3不變的過程中發(fā)射。而然，在電弱統(tǒng)一的框架下，W玻色子會與弱超荷規(guī)范玻色子B混合，形成實際觀測到的Z玻色子和量子電動力學(xué)中的光子。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所