ΣΠΙΝ
Μια πολύ σημαντική ιδιότητα για κάθε σωματίδιο είναι το σπιν (spin) του. Το όνομά του παραπέμπει στην κλασική έννοια της ιδιο-στροφορμής των σωμάτων. Ωστόσο, το σπιν του σωματιδίου είναι ανεξάρτητο από την θέση και την κίνησή του στον χώρο. Είναι κβαντομηχανικό μέγεθος και δεν υπάρχει αντίστοιχό του στην κλασική φυσική.
Στην κλασική φυσική η στροφορμή ενός μεμονωμένου σώματος μετριέται σε μονάδες Joule x second, διατηρείται πάντοτε και μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή.
Το σπιν των σωματιδίων, επειδή σχετίζεται με τους κανόνες της κβαντικής φυσικής, παίρνει μόνο διακριτές τιμές.
Έχει και πάλι μονάδα μέτρησης το Joule x second, και εκφράζεται σε πολλαπλάσια της ποσότητας ħ = h/2π,
όπου h είναι η σταθερά του Planck (h = 6,63 x 10-34 J s).
Κάθε σωματίδιο μη μηδενικής μάζας, με κβαντικό αριθμό σπιν s, μπορεί να βρεθεί σε οποιαδήποτε από 2s +1 διαφορετικές καταστάσεις και να πάρει μια από τις τιμές σπιν : sħ, (s-1)ħ, … , -sħ .
Η μικρότερη ποσότητα σπιν που μπορεί να έχει ένα σωματίδιο είναι ħ/2.
Τα κουάρκ και τα λεπτόνια έχουν ημιακέραια τιμή σπιν ± ħ/2 (με κβαντικό αριθμό σπιν s = 1/2).
Οι καταστάσεις με κβαντικό αριθμό σπιν s = 1/2 είναι γνωστές ως spin up (+ħ/2 ή ↑) και spin down (-ħ/2 ή ↓).
Τα σωματίδια με σπιν s = ½ (επάνω σχήματα) προσανατολίζονται ομόρροπα ή αντίρροπα με το πεδίο.
Tα σωματίδια με σπιν s = 1 (κάτω σχήματα) μπορούν να προσανατολίζονται ομόρροπα, αντίρροπα ή κάθετα στο πεδίο.
Τα σωματίδια με ημιακέραιο κβαντικό αριθμό σπιν (όπως για παράδειγμα τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια) ονομάζονται φερμιόνια και ακολουθούν την απαγορευτική αρχή του Pauli, δηλαδή δεν είναι δυνατόν δύο ίδια σωματίδια να βρεθούν στην ίδια κβαντική κατάσταση την ίδια χρονική στιγμή.
Τα σωματίδια με ακέραιο κβαντικό αριθμό σπιν (όπως για παράδειγμα τα φωτόνια) ονομάζονται μποζόνια και μπορούν να συσσωρεύονται στην ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτή τους η ιδιότητα χρησιμοποιείται στα λέιζερ.
Οι φορείς των δυνάμεων είναι μποζόνια. Έχουν όλα σπιν ħ, εκτός από τον φορέα της βαρυτικής δύναμης (graviton), που έχει σπιν 2ħ.
Τα κουάρκ είναι φερμιόνια, βρίσκονται σε καταστάσεις σπιν (+ħ/2 ή ↑) και (- ħ/2 ή ↓). Όταν συνδυάζονται, για να σχηματίσουν σύνθετα σωματίδια, το σπιν του σύνθετου σωματιδίου προκύπτει από την πρόσθεση των σπιν των συνιστωσών σωματιδίων.
Πώς προκύπτει το σπιν του πρωτονίου p (uud) ;
u↑ + u↑ + d↓ = u↑u↑d↓ = p↑ (πρωτόνιο)
Τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ, έχουν σπιν ħ/2 (↑↑↓), ή 3ħ/2 (↑↑↑), και είναι φερμιόνια.
Τα μεσόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, έχουν σπιν 0 (↑↓)ή ħ (↑↑) και είναι μποζόνια.
Το σπιν είναι ένας επιπλέον ενδογενής παράγοντας ενέργειας. Στην περίπτωση που δύο κουάρκ έχουν παράλληλα σπιν (↑↑) παρουσιάζουν μεγαλύτερη ενέργεια από την περίπτωση που τα σπιν τους είναι αντιπαράλληλα (↑↓).
Tα αδρόνια Λ και Σ0 , παρ΄ ότι αποτελούνται από τα ίδια κουάρκ u, d και s, έχουν διαφορετικές μάζες. H διαφορά της μάζας τους οφείλεται στον διαφορετικό προσανατολισμό που έχουν τα σπιν των u και d κουάρκ που περιέχουν.
Στο Σ0 είναι παράλληλα (u↑ d↑) δίνοντας στο σωματίδιο μάζα 1192 MeV/c2, ενώ στο Λ είναι αντιπαράλληλα (u↑ d↓) και η μάζα του είναι 1115 MeV/c2.