Strona głównaPytania → Jaki izospin mają cząstki elementarne?

Jaki izospin mają cząstki elementarne?

Pytanie

Pyta Damian

Czytając informacje na Wikipedii zauważyłem, że elektrony, neutrina i wszystkie kwarki w antymaterii mają przeciwny izospin, a inne „zwykłe” cząstki w antymaterii mają izospin równy 0. Jakie to są „zwykłe” cząstki? Jeżeli dobrze rozumiem to chodzi o wszystkie pozostałe, tzn. bozony W, Z, H, γ, g; jednak dalej jest napisane, że antyneutrino też ma izospin 0. Te informacje w polskiej czy angielskiej Wikipedii są jakieś niezrozumiałe… Zatem które cząstki mają izospin przeciwny do swojej antycząstki, a które w przeciwieństwie do niej równy 0?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

W fizyce cząstek elementarnych korzystamy z liczby kwantowej nazywanej izospinem w dwóch różnych przypadkach. Pierwszy przypadek, tzw. „słaby izospin”, jest własnością pól kwantowych opisujących Model Standardowy oddziaływań silnych i elektrosłabych. Tabelkę z wartościami tego izospinu (ściślej: trzeciej składowej izospinu) dla różnych pól można znaleźć na tej stronie Wikipedii. Przyjęta jest tam powszechnie używana konwencja, że pola fermionowe o niezerowym izospinie opisujemy jako lewoskrętne, a pola fermionowe o zerowym izospinie (nie wymienione w tabelce) – jako prawoskrętne. Każde z pól fermionowych można poddać tzw. sprzężeniu ładunkowemu, co zmienia jego skrętność na przeciwną, a trzecia składowa izospinu zmienia znak.

Kwantowe wzbudzenia pól interpretujemy jako cząstki lub antycząstki. Przykładowo, elektron $e^-$ jest wzbudzeniem pewnej „mieszanki” pola lewoskrętnego $e_L$ o niezerowym izospinie i prawoskrętnego $e_R$ o zerowym izospinie. Jego antycząstka, pozyton $e^+$, jest wzbudzeniem odpowiednich pól sprzężonych ładunkowo – mieszanki prawoskrętnego o niezerowym izospinie i lewoskrętnego o zerowym izospinie. Oznaczenia pól lewoskrętnych w tabelce w Wikipedii są rzeczywiście mylące – powinny być oznaczone jako $\nu_L$, $e_L$, $u_L$, $d_L$, itd. Odpowiednie pola prawoskrętne (o zerowym izospinie) to $e_R$, $u_R$, $d_R$, itd. Prawoskrętnego pola neutrinowego nie było w oryginalnym sformułowaniu Modelu Standardowego, w którym zakładano bezmasowość neutrin (patrz niżej).

Również niektóre pola bozonowe mają niezerowy izospin. Na tej samej stronie Wikipedii widzimy, że jest tak w przypadku naładowanych bozonów $W^+$ i $W^-$. Są one wzajemnie antycząstkami (mogą ze sobą anihilować), lecz nie stosujemy w stosunku do żadnego z nich wyróżniającej nazwy „cząstka” lub „antycząstka”, gdyż byłaby to jedynie kwestia konwencji.

Pole neutrinowe oddziałujące z bozonami $W$ i $Z$ jest lewoskrętne i ma niezerowy izospin. Jego sprzężenie ładunkowe jest prawoskrętne i również ma niezerowy izospin. Gdyby neutrina nie miały mas, to tylko te dwa pola wystarczyłyby, aby opisać fizyczne neutrino i antyneutrino. Masy neutrin są bardzo małe, więc często możemy je zaniedbać. Wtedy mówimy o lewoskrętnym neutrinie i prawoskrętnym antyneutrinie.

Poprawny opis obserwowanych dotąd zjawisk związanych z masami neutrin możliwy jest na dwa sposoby: albo przy pomocy tych samych pól oraz oddziaływania generującego masę typu Majorany. Wtedy cząstki i antycząstki nie mają określonej skrętności. Innym sposobem jest zapostulowanie istnienia dodatkowego pola o zerowym izospinie oraz oddziaływania generującego masę typu Diraca. Wtedy fizyczne neutrino i antyneutrino są podobnymi „mieszankami”, jak w opisanym wyżej przypadku elektronu i pozytonu.

Pojęcie izospinu wykorzystywane jest w nieco innym kontekście również przy opisie oddziaływań silnych. Rozumiem jednak, że nie tego dotyczyło pytanie.