isospin

Isospin er en egenskab ved elementarpartikler, der indeholder up- eller down-kvarker. I 1932 foreslog den tyske fysiker Werner Heisenberg, at de to næsten lige tunge nukleoner, protonen og neutronen, var to forskellige tilstande af samme partikel, og at de stærke kernekræfter ikke kunne skelne mellem dem. I kvantefysikken beskrives dette med en matematisk analogi til almindeligt spin.

Nukleoner har et isospin på ¹/₂, således at protonens isospin "peger opad", mens neutronens "peger nedad". Der er dog ikke tale om spin i fysisk forstand, idet der ikke er impulsmoment forbundet med isospin. Derimod er der i matematisk forstand tale om en helt præcis analogi, idet spin og isospin er beskrevet af den samme type af algebra. Når man således beskriver protonen som havende isospin, der "peger opad", er det i en mere abstrakt forstand end for almindeligt spin (der kan beskrives ved en vektor i vort tre-dimenionale rum).

Talrige eksperimentelle undersøgelser har godtgjort, at de stærke vekselvirkninger bevarer isospin, et forhold, som også gælder for mange andre elementarpartikler end nukleonerne. Partiklerne optræder i isospinfamilier med næsten samme masse, således fx de tre pioner π⁺, π^- og π⁰ , der har isospin 1, og således i matematisk forstand beskrevet ved samme algebra som den tilhørende de massive spin-1 W- og Z-partikler i Standardmodellen for elementarpartikelfysik.

Protonen og neutronen har heller ikke helt identiske masser, og man forstår i dag, at det netop skyldes, at isospin ikke er associeret med en eksakt symmetri, når elektromagnetismen inddrages (pionerne og protonen og neutronen adskiller sig netop ved forskellige elektriske ladninger). Når isospin alligevel er meget nyttigt begreb i elementarpartikelfysik, skyldes det at de stærke vekselvirkninger, som navnet antyder, er langt stærkere end elektromagnetiske vekselvirkninger.

I teorien for elektrosvage vekselvirkninger optræder begrebet svagt isospin i forbindelse med kvarker og leptoner.