同位旋 - 简捷百科

同位旋（isotopic spin）是强子的基本性质之一，是表征自旋和宇称相同、质量相近而电荷数不同的几种粒子归属性质的量子数。

同位旋是一个抽象的概念，是为了解释已经观察到的实验事实(即强力的电荷无关性)而人为地引进的一种量子数。这个概念由海森伯格（Werner Karl Heisenberg）于1932年提出。海森堡发现，在强相互作用中交换质子和中子是对称的，这种对称性被称作同位旋对称性。用同位旋对大量强子进行分类，用强作用下同位旋守恒定律讨论粒子的相互作用和转化，这在实验上已经表明，从20世纪50年代起同位旋概念就扩展到粒子物理学领域了。到1954年2月，杨振宁和赖特·米尔斯完成了推广规范不变性的工作，撰写了著名的论文《同位旋守恒和同位旋规范不变性》。

同位旋对称性在粒子物理与核物理的发展中曾经起到非常重要的作用。在此之后，这一对称性成为是核物理和强子物理研究的基本概念和基本研究手段之一。

定义

同位旋是强子的基本性质之一，是表征自旋和宇称相同、质量相近而电荷数不同的几种粒子归属性质的量子数。

同位旋是在原子核和基本粒子研究中引入的一个特殊量子数。最初因为中子和质子的质量以及它们在原子核中的性质都十分相近，所以把它们看作是同一种基本粒子，称为“核子”的两个不同荷电状态，以不同的同位旋量子数互相区别。后来这概念又推广到介子等其他基本粒子，并且建立了一条“同位旋守恒定律 ”，即微观粒子系统在强相互作用过程中，其同位旋量子数之矢量和前后保持不变。

目前，同位旋守恒被看作强子的相互作用中更为普遍的味守恒中的一种。一个粒子的同位旋可以通过它所包含的上夸克和下夸克的数量来计算。

在数学上，如果指定质子基态和中子基态为二维空间中的单位基，那么中的变换将混合质子和中子态，由于群结构相同，因此可以照搬角动量理论的所有结果。选择“同位旋”这个名称是为了显示数学的相似性和物理含义的不同（这个术语起源于“ 同位素的” 自旋）。

研究进展

同位旋概念的提出

二十世纪初，人们认识到原子由原子核与核外电子组成，而原子核由质子 ( ) 和中子 ( ) 两种核子组成。实验发现质子和中子的质量差非常小，例如现代的测量表明中子质量 ( ) 与质子质量 ( ) 之比是。中子和质子都是强相互作用粒子，而这两者的质量又相差很小。

1932 年，海森伯格意识到，在强相互作用的现象中，质子和中子很难区分。具体一些说，如果在强相互作用中交换质子和中子，除了因为电荷导致的效应外，看不出区别。如果把一个物理过程中的中子代换成质子、质子代换成中子，则通过代换得到的新物理过程与之前的物理过程具有几乎相同的散射截面等物理性质。也就是说，在强相互作用中交换质子和中子是对称的，这种对称性被称作同位旋对称性。由此，海森堡提出了同位旋的概念。

海森堡根据电子自旋在空间中有两种取问的概念提出了一种类似的描述核子两重态的方法，他设想核子有一个“同位空间”，这个同位空间不是普通的空间而是各个方向代表不同电荷状态的“空间”。如采用粒子的同位旋矢量来描述这种状态，那么同位旋矢量在同位空间中的取向是量子化的。

同位旋守恒定律

同位旋守恒定律，即微观粒子系统在强相互作用过程中，其同位旋量子数之矢量和前后保持不变。质子和中子的质量差别很小，它们的能量差别也很小，可以认为这一微小差别是由于它们的带电性质不同所引起的。由于核力与核子是否带电无关，因此，对于核力而言，中子和质子处于完全相同的地位。可以认为质子和中子不过是同一种粒子（核子）处于两种不同的状态而已。类似地，也可以把看成一种粒子的三种不同的状态，这通常称为强子的多重态（multiplet）。

为了描述强子的多重态，特引入同位旋量子数和它的分量，定义同位旋是一个性质与角动量类似的矢量，并规定共个值，分别对应粒子的一种状态。例如，核子有质子和中子两种状态，故所以和，通常指定质子的，而中子的。由此，也可以得到的值分别是-1，0和1。

在认识到质子和中子等强子都是由夸克构成之后，才认识到同位旋的本质是由于和夸克的质量小（因此差别小），再把它们所带的电荷差别略去，所导致的对称性和对应的量子数。真实物理世界中，和夸克的质量和电荷都有差别，因此同位旋对称性是近似的；同位旋的破坏是和夸克的质量差和电磁作用引起的。

强子的同位旋是由它们的组分夸克的同位旋按一定的规则组合（C-G系数）而成的。夸克是同位旋的两重态。质子（）和中子（）的同位旋是由夸克组分中的，构成同位旋单态，即中子的同位旋就是夸克的同位旋，质子的同位旋就是夸克的同位旋。

实验表明，强相互作用过程中，同位旋和它的分量都守恒；电磁相互作用过程中，不守恒但守恒；弱相互作用过程中和它的分量都不守恒。该规律被称为同位旋守恒定律（law of conservation of isobaric spin）。

同位旋守恒和同位旋规范不变性

之后，经过10余年的不懈努力，到1954年2月，杨振宁和赖特·米尔斯完成了推广规范不变性的工作，撰写了著名的论文《同位旋守恒和同位旋规范不变性》。

同年4月，他们写了一份摘要，提交给在华盛顿哥伦比亚特区举行的美国物理学年会。这份摘要，就是后来的《同位旋守恒和一种推广的规范不变性》。其中，阐述了他们的动机和目标：与电荷守恒相类似，同位旋守恒表明了存在着一个基本的不变性定律，在前一种情形里，电荷是电磁场的源；在这种情形中的一个重要的概念是规范不变性，它与下列三点紧密相连：1.电磁场的运动方程；2.流密度的存在；3.在带电场和电磁场之间可能有的相互作用。他们尝试了将这个规范不变性的概念推广应用到同位旋守恒上，结果发现有可能实现同一个十分自然的推广。

因为，规范不变性思想的推广，结果应是强相互作用的一个完整理论，并以同位旋为造成这一强相互作用的“荷”，而新发明的规范场则为“粘胶”，起着电磁场在电动力学中所起的那种作用。

同位旋概念的扩展

海森伯格的核结构模型至少存在这样三个问题：(1) 衰变核所发射的电子为什么不是核的组分之一。 (2)所谓“无自旋电子"究竟是什么东西。 (3)同种核子相互作用靠什么来传递。

关于第一个问题，1934年的费米理论能作出完美的回答。粒子和中微子是核衰变过程中产生的，如同原子发光而光子并非原子的组分一样，电子也不是核的组成部分。伊戈尔·塔姆（Tamm）和伊凡宁科曾经设想，中子和质子的相互作用靠交换电子、中微子产生，而伽莫夫（Gamow）、 J.H.泰勒（Teller）和温采尔（Wenlzel）提出同种核子通过交换正负电子对或正反中微子对可以产生相互作用。这些想法既能回答上述的两个问题，又能满足核力的电荷无关性的要求。但是，理论计算表明，靠交换轻子提供如此强的核力是远不够的。尽管如此，这些工作还是值得一提的，因为在这样的理论框架中，把轻子对换成介子构成了介子场论，凯默在这方面做了有效的工作。

1935年，汤川预言了带电介子的存在，它们传递核子之间的相互作用。两年后安德逊（Anderson）和奈德麦义尔（Neddermayer）发现子，因质量相近被误认为汤川粒子。于是汤川理论被广泛地研究，并提出应存在中性介子传递同种核子间的作用。贝特（Bethe）选取中性介子场（即标量介子场）定性地解释了核力的短程性和电荷无关性；之后，为表示核力与自旋有关，又选取了标量场论的方案。

1947年鲍威尔（Powell）发现带电介子，1950年中性介子的存在也被证实。因为介子有三种不同的带电状态，所以，其同位旋量子数等于1。实验证实介子存在，这对汤川理论是一个有力的支持。核力的介子场论成为解决核力本性的一个方向，介子和核子都是第一代粒子的成员，这两类粒子的根本区别之一就在于同位旋不同。用同位旋对大量强子进行分类，用强作用下同位旋守恒定律讨论粒子的相互作用和转化，这在实验上已经表明，从20世纪50年代起同位旋概念就扩展到粒子物理学领域了。

最强同位旋混杂现象

2022年，中国科学院近代物理研究所的科研人员及其合作者依托兰州重离子加速器大科学装置开展了质子滴线核磷衰变性质的高精度测量，发现了衰变中最强同位旋混杂现象。

在同位旋严格对称的情况下，衰变中恩里科·费米跃迁仅布居至同位旋相似态。然而，同位旋对称性破缺会导致费米跃迁强度劈裂，不仅布居到同位旋相似态，也会布居到同位旋相似态附近的激发态。此前，实验上仅发现几例这种同位旋混杂的现象，同位旋混杂矩阵元均小于，理论上也基本能解释这些现象。

近代物理所核物理中心研究人员基于兰州重离子加速器放射性束流线（）开展了奇特原子核磷的延迟双质子发射的关联测量，首次发现硅同位旋相似态附近的两个高激发态和。

基于高精度的实验数据，研究人员得到硅同位旋相似态与高激发态的同位旋混杂矩阵元为，是目前实验上发现的β衰变中最强同位旋混杂现象，其背后的物理成因可能是弱束缚或者大形变效应。然而，针对磷衰变的各种理论模型计算得到的同位旋混杂矩阵元均小于，远小于实验值。该实验结果对现有理论研究提出强有力挑战，将推动原子核相互作用力相关理论的发展。

研究影响

海森伯格的同位旋是典型的现象学研究的结果。他提出的规则基于现象，是对现象的抽象。这个规则并不是 “现象背后的原因”，而仅仅是对 “现象运作的模式” 的一个抽象表达。

杨振宁对同位旋对称性的成功印象深刻，他试图找到能够理解强相互作用的原理，他把电磁相互作用中的规范对称性推广到同位旋，在上世纪五十年代提出了基于同位旋对称性的非尼尔斯·亨利克·阿贝尔规范理论，即杨-米尔斯理论。这个理论虽然没有立即获得成功，但是在后来的发展中，科学家们认识到粒子物理的大厦可以建筑在杨-米尔斯规范理论的原理之上，杨-米尔斯理论因此成为物理学的一个基本原理。

类似现象理论

同位旋相似态

核子数相同（称为同质素），自旋、宇称相同，同位旋相同，只有不同的能级。又称同位旋多重态。

对于具有电荷无关性的强相互作用，质子和中子是完全相同的，可以把它们看成是一种粒子——核子的两种状态。质子和中子的这种内部对称性质可以用同位旋（一种与普通空间中的自旋类似的内部对称量子数）来描述：核子的同位旋，沿第三轴的分量工，可取和，分别对应质子和中子，或者说，质子和中子是一个同位旋二重态。

与在普通空间的转动不变性保证能级与角动量的第三分量取值无关类似，强相互作用在同位旋空间的转动不变性将导致能级与同位旋的第三分量取值无关。因此核力的电荷无关性是强相互作用的同位旋转动不变性的结果。同位旋转动不变性保证同位旋守恒。由于与电荷有关，电磁相互作用不具有同位旋空间的转动不变性，因此破坏同位旋守恒。同一同位旋多重态中的质量差异是由电磁作用引起的。

弱同位旋

弱同位旋（weak-isospin），是1965年由温伯格和萨拉姆首先在弱电统一模型中引入的概念。弱相互作用在粒子本身某一抽象空间——弱同位旋空间中具有一种对称性，即SU(2)对称性。弱同位旋是这一抽象空间中的变量。

参与弱相互作用的粒子具有弱同位旋量子数，构成一定的弱同位旋多重态。如左旋的中微子和左旋电子是弱同位旋量子数为的二重态的两个分量，右旋电子是弱同位旋量子数为零的单态。

核同位旋

1937年，美国物理学家尤金·维格纳进一步用这个理论来描述原子核的同位旋属性。实验表明，核子之间的作用力主要是核力，它近似地与核子所带电荷无关，即质子和质子、中子和中子，以及质子和中子之间的核力是相同的，这说明就核力的性质而言，质子与中子之间没有区别。因此，把质子和中子看成同一种粒子（核子）的两种不同状态。为区别它们，引入了一个新的算符，代表核子的同位旋矢量，其量子数为。

中子和质子同位旋相同，但同位旋第三分量不同，中子的，质子的，具有对称性。同位旋矢量是可以相加的，因此，一个原子核的总同位旋矢量为组成该原子核的质子和中子的同位旋矢量之和，即，第三分量。一个原子核的质子数为，中子数为，质量数为，其同位旋第三分量。因此，同一种核素的不同能态都具有相同的同位旋值。但是，原子核同位旋量子数的取值范围为。

定义