Изотопическая инвариантность
Изотопическая инвариантность, свойство сильных взаuмoдействий элементарных частиц. Существующие в природе частицы, обладающие сильными взаимодействиями (адроны), можно разбить на группы "похожих" частиц, в каждую из которых входят частицы с примерно равными массами и одинаковыми внутренними характеристиками (спином, барионным зарядом, странностью), за исключением электрического заряда. Такие группы называются изотопическими мультиплетами. Оказывается, что сильное взаимодействие для всех частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрического заряда, - в этом и состоит симметрия сильных взаимодействий, называемая И. и.
Простейший пример частиц, которые могут быть объединены в один изотопический мультиплет, - протон (р) и нейтрон (n). Опыт показывает, что сильное взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаково (если они находятся соответственно в одинаковых состояниях); это послужило исходным пунктом для установления И. и. Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной частицы - нуклона; они образуют изотопический дублет. Другие примеры изотопических мультиплетов: пи-мезоны (p+, p0, p-) и S-гипероны (S+, S?, S-), образующие изотопические триплеты.
Электрический заряд Q частицы, входящей в изотопический мультиплет, выражается формулой Гелл-Мана - Нишиджимы:
Здесь В - барионный заряд, S - странность (одинаковые для всех частиц в данном изотопическом мультиплете), а величина I3 пробегает с интервалом в единицу все значения от некоторого максимального значения I (целого или полуцелого) до минимального, равного - I : I3 = I, I - 1, ..., - I. Общее число значений, которые может принимать величина I3 (и Q) для данного изотопического мультиплета, а следовательно, и число частиц в изотопическом мультиплете, равно 2I + 1. Величина I, определяющая число частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином, а величина I3 - "проекцией" изотопического спина. Эти названия основаны на формальной математической аналогии с обычным спином частиц, поскольку, согласно квантовой механике, для частиц со спином J проекция спина на произвольное направление в пространстве может принимать через единицу значения от + J до - J, т. е. иметь 2J + 1 значений.
Так как нуклоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (как и для всех других частиц, входящих в изотопические дублеты) 2I + 1 = 2, т. е. I = 1/2 а I3 может принимать два значения: + 1/2 для протона (что соответствует Q = + 1, так как у нуклонов барионный заряд B = 1, а странность S = 0) и - 1/2для нейтрона (Q = 0). Изотопическому триплету пионов соответствует I = 1, а I3 равно + 1 для p+, 0 для p? и - 1 для p -.Частицы с I = 0 не имеют изотопических "партнёров" и являются изотопическими синглетами; к таким частицам относятся, например, гипероны L0 и W-.
Изотопический спин является, таким образом, важной характеристикой адрона - квантовым числом, показывающим, какое количество изотопических "партнёров" имеет данная частица (или в каком числе зарядовых состояний она может находиться).
На основе И. и. удаётся предсказать существование, массу и заряды новых частиц, если известны их изотопические "партнёры". Так было предсказано существование p?, S?, X? по известным p+, p - ; S+, S - и X - .
И. и. имеет место и для составных систем из адронов, в частности для атомных ядер. Изотопический спин сложной системы складывается из изотопических спинов входящих в систему частиц, при этом сложение производится по тем же правилам, что и для обычного спина. Так, система из двух частиц с изотопическими спинами 1/2 (например, нуклон) и 1 (например, p-мезон) может иметь изотопический спин I = 1 + 1/2 = 3/2 или I = 1 - 1/2 = 1/2.
В ядрах И. и. проявляется в существовании уровней энергии с одинаковыми квантовыми числами для различных изобаров (т. е. для ядер, содержащих одинаковое число нуклонов и отличающихся электрическим зарядом). Примером служат ядра 146С, 147N, 148O: основное состояния ядер 14С, 14О и первое возбуждённое состояние 14N образуют изотопический триплет, I = 1 (см. рис.). Все квантовые числа этих уровней одинаковы, а различие в их энергиях можно объяснить разницей электростатических энергий из-за различия в электрических зарядах этих ядер. (Основной уровень 14N имеет изотопический спин I = 0, поэтому у него нет аналогов в ядрах 14C и 14O.)
Из И. и. следует закон сохранения полного изотопического спина I в процессах, обусловленных сильными взаимодействиями. Этот закон приводит к определённым соотношениям между вероятностями процессов для различных частиц, входящих в одинаковые изотопические мультиплеты, а также к запрету некоторых реакций [например, реакция d + d ? 4He + p? не может происходить за счёт сильных взаимодействий, так как для d (дейтрона) и 4He I = 0, а для p?-мезона I = 1]. Экспериментальной проверке таких предсказаний посвящено много работ на ускорителях заряженных частиц высокой энергии.
И. и. имеет место только для сильных взаимодействий и нарушается электромагнитными взаимодействиями (явно зависящими от электрических зарядов частиц, т. е. от I3), "сила" которых по порядку величины составляет примерно 1% от сильных взаимодействий. Различие электромагнитных взаимодействий для разных частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, и обусловливает различие в их массах.
Лит. см. при ст. Элементарные частицы.
? С. С. Герштейн.