Fermión - Fermion

Función de onda antisimétrica para un estado (fermiónico) de 2 partículas en un potencial de pozo cuadrado infinito.

En física de partículas , un fermión es una partícula que sigue las estadísticas de Fermi-Dirac y generalmente tiene un espín entero impar medio: espín 1/2 , espín 3/2 , etc. Estas partículas obedecen al principio de exclusión de Pauli . Los fermiones incluyen todos los quarks y leptones , así como todas las partículas compuestas formadas por un número impar de estos, como todos los bariones y muchos átomos y núcleos . Los fermiones se diferencian de los bosones , que obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein .

Algunos fermiones son partículas elementales , como los electrones , y algunos son partículas compuestas , como los protones . De acuerdo con el teorema de la estadística de espín en la teoría de campos cuánticos relativistas , las partículas con espín entero son bosones , mientras que las partículas con espín medio entero son fermiones.

Además de la característica de espín, los fermiones tienen otra propiedad específica: poseen números cuánticos de bariones o leptones conservados. Por lo tanto, lo que generalmente se denomina relación de estadísticas de espín es de hecho una relación de estadísticas de espín-número cuántico.

Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, solo un fermión puede ocupar un estado cuántico particular en un momento dado. Si varios fermiones tienen la misma distribución de probabilidad espacial, entonces al menos una propiedad de cada fermión, como su espín, debe ser diferente. Los fermiones generalmente se asocian con la materia , mientras que los bosones son generalmente partículas portadoras de fuerza , aunque en el estado actual de la física de partículas la distinción entre los dos conceptos no está clara. Los fermiones que interactúan débilmente también pueden mostrar un comportamiento bosónico en condiciones extremas. A baja temperatura, los fermiones muestran superfluidez para partículas sin carga y superconductividad para partículas cargadas.

Los fermiones compuestos, como los protones y neutrones , son los bloques de construcción clave de la materia cotidiana .

El nombre fermión fue acuñado por el físico teórico inglés Paul Dirac del apellido del físico italiano Enrico Fermi .

Fermiones elementales

El modelo estándar reconoce dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones . En total, el modelo distingue 24 fermiones diferentes. Hay seis quarks ( arriba , abajo , extraño , encanto , inferior y superior ), y seis leptones ( electrón , electrón neutrino , muón , muón neutrino , tauón y neutrino tauón ), junto con la antipartícula correspondiente de cada uno de estos.

Matemáticamente, los fermiones vienen en tres tipos:

Se cree que la mayoría de los fermiones del modelo estándar son fermiones de Dirac, aunque en este momento se desconoce si los neutrinos son fermiones de Dirac o Majorana (o ambos). Los fermiones de Dirac se pueden tratar como una combinación de dos fermiones de Weyl. En julio de 2015, los fermiones Weyl se realizaron experimentalmente en semimetales Weyl .

Fermiones compuestos

Las partículas compuestas (como hadrones , núcleos y átomos) pueden ser bosones o fermiones dependiendo de sus constituyentes. Más precisamente, debido a la relación entre el espín y la estadística, una partícula que contiene un número impar de fermiones es en sí misma un fermión. Tendrá giro medio entero.

Los ejemplos incluyen lo siguiente:

  • Un barión, como el protón o el neutrón, contiene tres quarks fermiónicos y, por tanto, es un fermión.
  • El núcleo de un átomo de carbono 13 contiene seis protones y siete neutrones y, por tanto, es un fermión.
  • El átomo de helio-3 ( 3 He) está formado por dos protones, un neutrón y dos electrones y, por tanto, es un fermión; Además, el átomo de deuterio está formado por un protón, un neutrón y un electrón y, por lo tanto, también es un fermión.

El número de bosones dentro de una partícula compuesta formada por partículas simples unidas con un potencial no tiene ningún efecto sobre si es un bosón o un fermión.

El comportamiento fermiónico o bosónico de una partícula compuesta (o sistema) solo se ve a grandes distancias (en comparación con el tamaño del sistema). En la proximidad, donde la estructura espacial comienza a ser importante, una partícula (o sistema) compuesta se comporta de acuerdo con su composición constituyente.

Los fermiones pueden exhibir un comportamiento bosónico cuando se unen libremente en pares. Este es el origen de la superconductividad y la superfluidez del helio-3: en los materiales superconductores, los electrones interactúan a través del intercambio de fonones , formando pares de Cooper , mientras que en el helio-3, los pares de Cooper se forman a través de fluctuaciones de espín.

Las cuasipartículas del efecto Hall cuántico fraccional también se conocen como fermiones compuestos , que son electrones con un número par de vórtices cuantificados unidos a ellos.

Skyrmions

En una teoría cuántica de campos, puede haber configuraciones de campo de bosones que están topológicamente retorcidos. Estos son estados coherentes (o solitones ) que se comportan como una partícula y pueden ser fermiónicos incluso si todas las partículas constituyentes son bosones. Esto fue descubierto por Tony Skyrme a principios de la década de 1960, por lo que los fermiones hechos de bosones se llaman skyrmions en su honor.

El ejemplo original de Skyrme involucraba campos que toman valores en una esfera tridimensional, el modelo sigma no lineal original que describe el comportamiento de los piones a grandes distancias . En el modelo de Skyrme, reproducido en la aproximación de cadena o N grande a la cromodinámica cuántica (QCD), el protón y el neutrón son solitones topológicos fermiónicos del campo de piones.

Mientras que el ejemplo de Skyrme involucró la física de piones, hay un ejemplo mucho más familiar en la electrodinámica cuántica con un monopolo magnético . Un monopolo bosónico con la menor carga magnética posible y una versión bosónica del electrón formará un dión fermiónico .

Ver también

Notas

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