Значение ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ в Большой советской энциклопедии, БСЭ

ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ

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 -гипероны">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 I 3 пробегает с интервалом в единицу все значения от некоторого максимального значения I (целого или полуцелого) до минимального, равного - I : I 3 I , I - 1, ..., - I . Общее число значений, которые может принимать величина I 3 (и Q ) для данного изотопического мультиплета, а следовательно, и число частиц в изотопическом мультиплете, равно 2 I + 1 . Величина I , определяющая число частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином, а величина I 3 - '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 2 J + 1 значений.

Так как нуклоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (как и для всех других частиц, входящих в изотопические дублеты) 2 I + 1 2, т. е. I 1/2 а I 3 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 - 1/2 для нейтрона ( Q 0). Изотопическому триплету пионов соответствует I 1, а I 3 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 I 3), '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.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012