Ізотопічна інваріантність, властивість сильних взаuмoдействій елементарних часток. Частки, що існують в природі, володіють сильними взаємодіями (адрони), можна розбити на групи «схожих» часток, в кожну з яких входять частки з приблизно рівними масами і однаковими внутрішніми характеристиками (спином ,баріонним зарядом,дивацтвом ), за винятком електричного заряду. Такі групи називаються ізотопічними мультіплетамі. Виявляється, що сильна взаємодія для всіх часток, що входять в один і той же ізотопічний мультиплет, однаково, тобто не залежить від електричного заряду, — в цьому і полягає симетрія сильних взаємодій звана І. і.
Простий приклад часток, які можуть бути об'єднані в один ізотопічний мультиплет, — протон (р) і нейтрон (n). Досвід показує, що сильна взаємодія протона з протоном, нейтрона з нейтроном і протона з нейтроном однаково (якщо вони знаходяться відповідно в однакових станах); це послужило вихідним пунктом для встановлення І. і. Протон і нейтрон розглядаються як два різні зарядові стани однієї частки — нуклона; вони утворюють ізотопічний дублет. Інші приклади ізотопічних мультіплетов: пі-мезони (p + , p 0 , p - ) і S-гиперони (S + , S°, S - ), створюючі ізотопічні триплети.
Електричний заряд Q частки, що входить в ізотопічний мультиплет виражається формулою Гелл-Мана — Нішиджіми:
Тут В — баріонний заряд, S — дивацтво (однакові для всіх часток в даному ізотопічному мультиплеті), а величина I 3 пробігає з інтервалом в одиницю всі значення від деякого максимального значення I (цілого або напівцілого) до мінімального, рівного — I : I 3 = I , I — 1 ..., — I . Загальне число значень, які може приймати величина I 3 (і Q ) для даного ізотопічного мультиплета, а отже, і число часток в ізотопічному мультиплеті, рівне 2 I + 1. Величина I , що визначає число часток в ізотопічному мультиплеті, називається ізотопічним спином, а величина I 3 — «проекцією» ізотопічного спину. Ці назви засновані на формальній математичній аналогії із звичайним спином часток, оскільки, згідно з квантовою механікою, для часток із спином J проекція спину на довільний напрям в просторі може набувати через одиницю значень + J до — J , тобто мати 2 J + 1 значень.
Оскільки нуклони існують в двох зарядових станах, то для них (як і для всіх інших часток, що входять в ізотопічні дублети) 2 I + 1 = 2, тобто I = 1 / 2 а I 3 може набувати два значення: + 1 / 2 для протона (що відповідає Q = + 1, оскільки в нуклонів баріонний заряд B = 1, а дивацтво S = 0) і — 1 / 2 для нейтрона ( Q = 0). Ізотопічному триплету піонів відповідає I = 1, а I 3 рівне + 1 для p + , 0 для p° і — 1 для p — .Частіци з I = 0 не мають ізотопічних «партнерів» і є ізотопічними синглетамі; до таких часток відносяться, наприклад, гіперони L 0 і W - .
Ізотопічний спин є, таким чином, важливою характеристикою адрону — квантовим числом, що показує яку кількість ізотопічних «партнерів» має дана частка (або в якому числі зарядових станів вона може знаходитися).
На основі І. і. удається передбачити існування, масу і заряди нових часток, якщо відомі їх ізотопічні «партнери». Так було передбачено існування p°, S°, X° по відомих p + , p — ; S + , S — і X — .
І. і. має місце і для складених систем з адронів, зокрема для атомних ядер. Ізотопічний спин складної системи складається з ізотопічних спинів вхідних в систему часток, при цьому складання виробляється по тих же правилах, що і для звичайного спину. Так, система з двох часток з ізотопічними спинами 1 / 2 (наприклад, нуклон) і 1 (наприклад, p-мезон) може мати ізотопічний спин I = 1 + 1 / 2 = 3 / 2 або I = 1 — 1 / 2 = 1 / 2 .
В ядрах І. і. виявляється в існуванні рівнів енергії з однаковими квантовими числами для різних ізобаров (тобто для ядер, що містять однакове число нуклонів і що відрізняються електричним зарядом). Прикладом служать ядра 14 6 З, 14 7 N, 14 8 O: основне стани ядер 14 З, 14 Про і перший збуджений стан 14 N утворюють ізотопічний триплет, I = 1 (див. рис .). Всі квантові числа цих рівнів однакові, а відмінність в їх енергіях можна пояснити різницею електростатичних енергій із-за відмінності в електричних зарядах цих ядер. (Основний рівень 14 N має ізотопічний спин I = 0, тому у нього немає аналогів у ядрах 14 C і 14 O.)
З І. і. слідує закон збереження повного ізотопічного спину I в процесах, обумовлених сильними взаємодіями. Цей закон приводить до певних співвідношень між вірогідністю процесів для різних часток, що входять в однакових ізотопічні мультіплети, а також до заборони деяких реакцій [наприклад, реакція d + d ® 4 He + p° не може відбуватися за рахунок сильних взаємодій, оскільки для d (дейтрона) і 4 He I = 0, а для p°-мезона I = 1]. Експериментальній перевірці таких передбачень присвячено багато робіт на прискорювачах заряджених часток високої енергії.
І. і. має місце лише для сильних взаємодій і порушується електромагнітними взаємодіями (явно залежними від електричних зарядів часток, тобто від I 3 ), «сила» яких по порядку величини складає приблизно 1% від сильних взаємодій. Відмінність електромагнітних взаємодій для різних часток, що входять в один і той же ізотопічний мультиплет, і обумовлює відмінність в їх масах.
