Fermión

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

Algunos fermiones son partículas elementales (como los electrones ) y otros son partículas compuestas (como los protones ). Por ejemplo, según el teorema de estadística de espín de la teoría cuántica de campos relativista , las partículas con espín entero son bosones . Por el contrario, las partículas con espín semientero son fermiones.

Además de la característica de espín, los fermiones tienen otra propiedad específica: poseen números cuánticos bariónicos o leptónicos conservados . Por lo tanto, lo que se suele denominar relación espín-estadística es, de hecho, una relación espín-estadística-número cuántico. ^[1]

Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, solo un fermión puede ocupar un estado cuántico particular en un momento dado. Supongamos que 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 suelen estar asociados con la materia , mientras que los bosones son generalmente partículas portadoras de fuerza . Sin embargo, 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. Por ejemplo, a bajas temperaturas, los fermiones muestran superfluidez para partículas sin carga y superconductividad para partículas cargadas.

Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones , son los componentes fundamentales de la materia cotidiana .

El físico teórico inglés Paul Dirac acuñó el nombre fermión a partir del apellido del físico italiano Enrico Fermi . ^[2]

Modelo estándar de física de partículas
Partículas elementales del Modelo Estándar
Fondo Física de partículas Modelo estándar Teoría cuántica de campos Teoría de gauge Ruptura espontánea de simetría Mecanismo de Higgs
Constituyentes Interacción electrodébil Cromodinámica cuántica Matriz CKM Matemáticas del Modelo Estándar
Limitaciones Problema CP fuerte Problema de jerarquía Oscilaciones de neutrinos Física más allá del Modelo Estándar
Científicos Rutherford Thomson Chadwick Bosé Sudarshan Davis Jr Anderson Fermi Dirac Feynman rubí Gell-Mann Kendall Taylor Friedman Powell Anderson espectáculo de vidrio Iliopoulos Hombre de cuero Maiani Más Cowan Nambu Chambelán Cabibbo Schwartz Perl Mayorana Weinberg Sotavento Pabellón Saludos Kobayashi Máscara Molinos Yang Yukawa No casco Veltman Bruto País Pablo Politzer Reinas Schwinger Wilczek Cronin Ajuste Vleck bosón de higgs Englert Brote Hagen Guralnik Croquetas de Mayolo Café con leche Dos
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El Modelo Estándar reconoce dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones . En total, el modelo distingue 24 fermiones diferentes. Hay seis quarks ( up , down , strange , charm , bottom y top ), y seis leptones ( electrón , neutrino electrónico , muón , neutrino muónico , tauón y neutrino tauónico ), junto con la antipartícula correspondiente de cada uno de estos.

Matemáticamente, existen muchas variedades de fermiones, siendo los tres tipos más comunes:

• Fermiones de Weyl (sin masa),
• Fermiones de Dirac (masivos), y
• Fermiones de Majorana (cada uno su propia antipartícula).

Se cree que la mayoría de los fermiones del Modelo Estándar son fermiones de Dirac, aunque se desconoce en este momento si los neutrinos son fermiones de Dirac o de Majorana (o ambos). Los fermiones de Dirac pueden tratarse como una combinación de dos fermiones de Weyl. ^{[3] : 106} En julio de 2015, se realizaron experimentalmente fermiones de Weyl en semimetales de Weyl .

Las partículas compuestas (como los hadrones , los núcleos y los átomos) pueden ser bosones o fermiones según 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 un espín semientero.

Algunos ejemplos incluyen los siguientes:

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

La cantidad de bosones dentro de una partícula compuesta formada por partículas simples unidas por un potencial no tiene efecto sobre si se trata de un bosón o de un fermión.

El comportamiento fermiónico o bosónico de una partícula (o sistema) compuesta solo se observa 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 constitución constitutiva.

Los fermiones pueden exhibir un comportamiento bosónico cuando se unen débilmente 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 ; están formadas por electrones con un número par de vórtices cuantificados unidos a ellos.

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