Der Isospin ist eine wichtige Eigenschaft von Teilchen in der Kern- und Teilchenphysik, der zu ihrer Klassifizierung dient. Mathematisch gesehen handelt es sich um einen Drehimpuls; das ist so zu verstehen, dass der Isospin ein wohl definierten Drehimpulsalgebra und Gruppe gehorcht. Die Quantentheorie stellt für Drehimpulse einen ganzen mathematischen Apparat zur Verfügung (Kommutatorrelationen), der gezielt verwendet werden kann. Das gilt für den Spin, ebenso wie für den Isospin. Beides sind Eigenschaften von Teilchen, die in der Teilchenphysik als Quantenzahlen bezeichnet werden.

Heisenbergs Idee

Der deutsche Quantenphysiker Werner Heisenberg hat den Isospin vorgeschlagen, um Proton und Neutron einheitlich zu beschreiben. Beide Nukleonen mögen den Gesamtisospin 1/2 haben, sich aber in der dritten Komponente des Isospins, der so genannten Isospinprojektion, unterscheiden: Ist die dritte Komponente dieses Nukleons -1/2, so spricht man vom Neutron; ist er +1/2, so handelt es sich um das Proton (Vorzeichen können je nach Konvention auch umgekehrt zugeordnet werden).
Zu einem Isospin I gehören 2I+1 Isospinzustände. Ein Gesamtisospin I=1/2 ermöglicht entsprechend 2 × 1/2 + 1 = 2 Zustände, nämlich +1/2 (isospin up) oder -1/2 (isospin down). In der Sprache der Teilchenphysik kennzeichnet das gerade ein Isospindublett.

Proton = Neutron?

Der Witz ist, dass in Abwesenheit von elektromagnetischen Kräften zwischen Proton und Elektron an sich kein Unterschied besteht. Der Massenunterschied, die so genannte Massenentartung, entsteht erst durch die Symmetriebrechung, das eine elektrische Ladung zugeordnet wird. Ohne Elektromagnetismus sind Proton und Neutron im Rahmen der Vereinheitlichung als Nukleon zu beschreiben.

Isospin anderer Teilchen

Die Kaonen haben die gleiche Isospinsymmetrie wie die Nukleonen (Isospindublett), aber dagegen einen Spin null (skalare Teilchen). Der Gesamtisospin der Pionen ist 1; es handelt sich in der Terminologie daher um ein Isospintriplett (2 × 1 + 1 = 3). Analog kann der Isospin für weitere Teilchen verallgemeinert werden.