Przeglądając tablice cząstek zwanych elementarnymi zauważamy, że w wielu przypadkach można wyróżnić grupy cząstek o zbliżonych własnościach. Przykładami mogą być dwa nukleony lub trzy mezony . W innych przypadkach cząstka wydaje się być sama pojedynczą "grupą" , np. hiperon .
Nasunęło to myśl, by pogrupować cząstki o zbliżonych własnościach przypisując im pewną liczbę kwantową charakteryzującą grupę i jej członków. Liczbę tą nazwano spinem izotopowym lub izospinem. Wprawdzie izospin nie ma żadnego związku z momentem pędu, to jednak nazwa odpowiada wspólnym cechom obu wielkości: spinu i izospinu. Podobnie jak wartość spinu charakteryzuje serie (multiplety) linii widmowych a rzut na określoną oś (składowa Z) określa poszczególne linie widma, tak wartość izospinu charakteryzuje grupę cząstek a rzut izospinu na wyróżnioną oś w przestrzeni izospinu odpowiada określonej cząstce w grupie. To, że izospin ma w sobie element słowa "izotop" odpowiada podobieństwu grup cząstek do izotopów charakteryzujących jądra atomowe o tej samej wartości Z.Każda grupa cząstek (multiplet izospinowy) ma przypisaną wartość izospinu T. Liczba cząstek w danym multiplecie wynosi 2T+1. Poszczególne cząstki multipletu mają określone wartości trzeciej składowej izospinu Tz. Na przykład dla dubletu nukleonów (proton, neutron) mamy: T=1/2, bo (2*1/2+1)=2. Proton ma trzecią składową równą Tz=+1/2, a neutron Tz=-1/2. Dla wprawy zapiszemy jeszcze to samo dla trypletu mezonów : izospin pionów wynosi: T=1, a trzecia składowa Tz jest równa: +1, 0, -1 odpowiednio dla :.
Izospin i jego trzecia składowa zachowywane są w oddziaływaniach silnych. W oddziaływaniach elektromagnetycznych zachowywana jest jedynie trzecia składowa izospinu, a w oddziaływaniach słabych izospin może sie zmieniać. Wprowadzenie pojęcia izospinu umożliwiło podział cząstek na multiplety izospinowe, co przyczyniło się w szczególności do zrozumienia własności cząstek dziwnych.
W początkach lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku odkryto w promieniowaniu kosmicznym cząstki, które zachowały się bardzo dziwnie. Znaleziono je również wśród cząstek produkowanych w zderzeniach realizowanych z użyciem akceleratorów. Cząstki te rozpadały się po czasie rzędu 10-10 -10-8 sekundy. Z pomiarów wynikało, że rodzą się w oddziaływaniach silnych, ale żyją stanowczo "za długo" w porównaniu z charakterystycznym czasem dla oddziaływań silnych tj. rzędu 10-23 sekundy. Zauważono też, że jeśli w zderzeniu dochodzi do produkcji cząstki dziwnej, to zawsze produkowana jest także druga cząstka dziwna. Nazwano to "stowarzyszoną produkcją". Nie dawało się wyprodukować pojedynczej cząstki dziwnej.Jeśli uważamy, że coś powinno zachodzić, a nie zachodzi - to znaczy, że istnieje jakaś przyczyna zabraniająca, której nie znamy. Aby określić prawo zabraniające produkcji pojedynczych cząstek dziwnych oraz wytłumaczyć ich stosunkowo długi czas życia została wprowadzona przez M. Gell-Mann'a i K. Nishijimę nowa liczba kwantowa zwana dziwnością (strangeness). Liczba ta przypisywana jest wszystkim cząstkom uczestniczącym w oddziaływaniach silnych i jest zachowywana w tych oddziaływaniach. Przykładem stowarzyszonej produkcji cząstek dziwnych jest reakcja
(15.2.1) |
W stanie początkowym tej reakcji dziwność układu wynosi zero. Wynika stąd, że dziwności wyprodukowanych cząstek mają te same wartości, ale przeciwne znaki. Dziwność mezonu wynosi +1, a dziwność hiperonu równa jest -1.
Z kolei hiperon rozpada się zgodnie ze schematem
(15.2.2) |
Dziwności wyprodukowanych cząstek równe są zeru. W rozpadzie tym dziwność nie jest zachowana. Rozpad taki nie może wiec zachodzić poprzez oddziaływania silne. Zachodzi poprzez oddziaływania słabe z dużo dłuższym czasem rozpadu.
Inne schematy rozpadów cząstek dziwnych podane są w tablicach cząstek.
Wprowadzenie dziwności umożliwiło klasyfikację cząstek dziwnych i wytłumaczenie ich własności. Obserwując procesy stowarzyszonej produkcji i przypisując określonym cząstkom określone wartości dziwności można było przewidzieć jakie kombinacje cząstek mogą się wspólnie produkować, a jakie nie. Umożliwiło to przewidzenie istnienia nowych cząstek, które później zostały rzeczywiście wykryte, na przykład hiperony: i .