¿Qué es el espín en relación con las partículas subatómicas?

Question

A menudo oigo hablar de que las partículas subatómicas tienen una propiedad llamada "espín", pero también de que en realidad no se relaciona con girar alrededor de un eje, como cabría pensar. ¿Qué partículas tienen espín? ¿Qué significa el espín si no es un movimiento giratorio real?

Answer 1

Creo que, más de diez años después, ha llegado el momento de dar una respuesta más actualizada.

Consideremos el caso del electrón. Otras partículas tienen espín distinto de cero, y las consideraciones siguientes serán válidas también para ellas, con pequeños cambios.

Desde un punto de vista formal, el espín $\frac12$ del electrón nos dice que necesitamos más de una función de onda para describir sus propiedades. En efecto, en régimen clásico (ecuación de Pauli), necesitamos una función de onda de dos componentes, mientras que en régimen relativista (ecuación de Dirac), necesitamos cuatro componentes. Este hecho puede reexpresarse muy bien en términos de dimensionalidad de la representación irreducible del grupo de Poincaré, pero no ayuda a comprender el espín.

Me parece más útil partir de la relación existente entre el momento angular de un electrón en un átomo y el momento magnético. Sabemos por la solución de la ecuación de Schrödnger para el átomo de Hidrógeno, que el momento dipolar magnético de los estados propios es proporcional al valor propio $m$ de la $L_z$ componente del momento angular. Podemos explicar la presencia de un dipolo magnético con la presencia de una corriente de densidad de probabilidad distinta de cero (y luego una corriente de densidad eléctrica correspondiente) asociada a la componente de momento angular distinta de cero. $m$ funciones de onda. Por lo tanto, el momento angular normal está asociado con las funciones de onda que llevan una corriente de densidad de probabilidad distinta de cero.

El argumento puede extenderse al espín intrínseco relacionándolo con una parte independiente del espacio del momento angular originado por la corriente de probabilidad en la función de onda de Pauli de dos componentes. Los detalles pueden encontrarse en un artículo de Mita ( American Journal of Physics 68, 259 (2000); DOI: 10.1119/1.19421 ) y también en algunas de sus referencias, en particular, el artículo de Ohanian.