Большой энциклопедический словарь:
ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ — независимость сильного взаимодействия от электрического заряда частиц внутри одного изотопического мультиплета. Пример: зарядовая независимость ядерных сил.
Большая советская энциклопедия:
Изотопическая инвариантность
Свойство сильных взаuмoдействий (См. Сильные взаимодействия) 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 (См. Барионный заряд), 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 (+, 0, -) и -Гипероны (+, °, -), 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 — 1/2 для нейтрона (Q = 0). Изотопическому триплету пионов соответствует I = 1, а I3 равно + 1 для +, 0 для ° и — 1 для —.Частицы с I = 0 не имеют изотопических «партнёров» и являются изотопическими синглетами; к таким частицам относятся, например, гипероны 0 и -.
Изотопический спин является, таким образом, важной характеристикой адрона — квантовым числом (См. Квантовые числа), 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 °, °, ° по известным +, — ; +, — и — .
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, -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 + ° не может происходить за счёт сильных взаимодействий, так как для d (дейтрона) и 4He I = 0, а для °-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.
Физический энциклопедический словарь:
Особая симметрия, присущая сильному взаимодействию элем. ч-ц. Существующие в природе ч-цы, обладающие сильным вз-ствием (адроны), можно разбить на группы «похожих» ч-ц, в каждую из к-рых входят ч-цы с примерно равными массами и одинаковыми внутр. хар-ками (спином, внутр. чётностью, барионным зарядом В, странностью S, «очарованием» С, «красотой» B, за исключением электрич. заряда). Такие группы наз. изотопическими мультиплетами. Сильное вз-ствие для всех ч-ц, входящих в один изотопич. мультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрич. заряда; в этом и состоит одно из проявлений симметрии сильного вз-ствия, наз. И. и.
Простейший пример ч-ц, к-рые могут быть объединены в один изотопич. мультиплет: протон (р) и нейтрон (n). Опыт показывает, что сильное вз-ствие 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 ч-цы — нуклона; они образуют изотопич. дублет. Другие примеры изотопич. мультиплетов: пи-мезоны (p+, p°, p-)и S-гипероны (S+ ,S°, S-), образующие изотопич. триплеты, К-мезоны (К+, К°) и анти-К-мезоны (К^-, К^°), образующие два изотопич. дублета.
Электрич. заряд Q ч-цы, входящей в изотопич. мультиплет, выражается ф-лой Гелл-Мана — Нишиджимы:
Q = I3+1/2Y;
величина Y была названа гиперзарядом и до открытия в 70-х гг. новых адронов считалась равной: Y=B+S (обобщение ф-лы для Y (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ)).
В этой ф-ле величина I3 пробегает с интервалом в единицу все значения от нек-рого максимального значения 7 (целого или полуцелого) до минимального, равного -I. Общее число значений, к-рые может принимать I3 (и Q) для данного изотопич. мультиплета, а следовательно, и число ч-ц в изотопич. мультиплете, равно 2 7+1. Величина I, определяющая это число, наз. изотопическим спином, а I3— третьей «проекцией» (или просто проекцией) изотопич. спина (названия связаны с формальной матем. аналогией с обычным спином ч-ц J и его проекцией Jz). Т. к. нуклоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (и для всех др. ч-ц, входящих в изотопич. дублеты) 2I+1=2, т. е. I=1/2, а I3, может принимать два значения: +1/2 для протона (что соответствует Q=+1) и -1/2 для нейтрона (Q=0). Изотопич. триплету пионов соответствует I=1, а I3 равно +1 для p+ , 0 для p° и -1 для p-. Ч-цы с I=0 не имеют изотопич. «партнёров» и явл. изотоппч. синглетами; к таким ч-цам относятся, напр., гипероны L° и W-. Переход от одной ч-цы к другой из того же изотопич. мультиплета, не меняя величины изотопич. спина, меняет его проекцию; поэтому такой переход формально можно представить как поворот в условном «изотопическом („зарядовом") пр-ве». Тот факт, что сильное вз-ствие ч-ц, входящих в определ. изотопич. мультиплет, одинаково: не зависит от Q, т. е. от «проекции» изотопич. спина I3, можно интерпретировать как независимость (инвариантность) сильного вз-ствия от вращений в «изотопич. пр-ве» (или как существование группы симметрии SU (2)). Это утверждение явл. наиб. общей формулировкой И. и., и из него следует закон сохранения изотопич. спина в сильном вз-ствии (аналогично тому, как из независимости законов механики относительно вращений в обычном пр-ве следует закон сохранения момента кол-ва движения). На основе И. и. удаётся предсказать существование, массу и заряды новых ч-ц, если известны их изотопические «партнёры». Так было предсказано существование p°, S°, X° по известным p+, p-; S+ S-;X-.
И. и. имеет место и для составных систем адронов, в частности для ат. ядер. Изотопич. спин сложной системы складывается из пзотопич. спннов входящих в систему ч-ц, при этом сложение производится по тем же правилам, что и для обычного спина. Так, система из двух ч-ц с изотоппч. спинами 1/2 (напр., нуклон) и 1 (напр., p-мезон) может иметь изотопич. 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 квант. числами для разл. изобар. Примером служат ядра 146С, 147N, 148O: осн. состояния ядер 14С, 14O и первое возбуждённое состояние 14N образуют изотопич. триплет (7=1; рис.).
J=1, I=0
Все квант. числа этих уровней одинаковы, а различие в их энергиях можно объяснить разницей электростатич. энергий из-за различия в электрич. зарядах ядер. (Осн. уровень 14N имеет изотопич. спин 7=0, поэтому у него нет аналогов в ядрах 14С и 14О.)
Из И. и. следует закон сохранения полного изотопич. спина I в процессах, обусловленных сильным вз-ствием. Этот закон приводит к определ. соотношениям между вероятностями процессов для ч-ц, входящих в один изотопич. мультиплет, а также к запрету нек-рых реакций в процессах сильного вз-ствия. Комбинация И. и. и зарядового сопряжения приводит к сохраняющейся в сильном вз-ствии величине (для ч-ц с B=S=C=b=0)— G-чётностн.
И. и. заведомо нарушается эл.-магн. вз-ствием, зависящим от электрич. зарядов ч-ц (т. е. от I3), «сила» к-рых по порядку величины составляет прибл. 1% от сильного вз-ствия. Другой источник нарушения И. и.— различие в массах u- и d-кварков, входящих в состав адронов. Указанные причины приводят к небольшому различию в массах ч-ц одного изотопич. мультиплета.
И. и. представляет собой часть более широкой приближённой симметрии сильного вз-ствия — унитарной симметрии SU (3). (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ).
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020