Fermión

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Fermión

Compuesto	puede ser tanto una partícula fundamental como una partícula compuesta (incluida una cuasipartícula )
Clasificación	para fermiones fundamentales: quarks y leptones . Para partículas elementales : leptones y bariones
Participa en interacciones	Gravitacional [1] (común a todos)
Quién o qué lleva el nombre	Enrico Fermi
números cuánticos
Girar	Medio entero [2] ħ
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Un fermión es una partícula o cuasipartícula con un valor de espín medio entero (es decir, igual a , donde es un número entero y es la constante de Planck reducida [2] ). Todas las partículas se pueden dividir en dos grupos, según el valor de su espín: las partículas con un espín entero son bosones , con un semientero son fermiones. ${\ estilo de visualización (n + 1/2) \ hbar}$ $norte$ $\hbar$

Ejemplos de fermiones: quarks (forman protones y neutrones , que también son fermiones), leptones ( electrones , muones , leptones tau , neutrinos ), huecos ( cuasipartículas en un semiconductor ) [3] . Los fermiones también son sistemas mecánicos cuánticos que consisten en un número impar de fermiones (y un número arbitrario de bosones).

Los fermiones obedecen al principio de Pauli ; la función de onda de un sistema de fermiones idénticos cambia de signo cuando se intercambian dos partículas cualesquiera. El estado de equilibrio termodinámico de un sistema de este tipo está descrito por las estadísticas de Fermi-Dirac [4] , que es la razón de su nombre [5] . El nombre fermión fue introducido por el físico teórico inglés Paul Dirac , a partir del apellido del físico italiano Enrico Fermi ; por primera vez los términos "bosón" y "fermión" fueron utilizados por Dirac en la conferencia "Desarrollo de la teoría atómica", leída por él el martes 6 de diciembre de 1945 en el museo científico parisino " Palacio de los Descubrimientos " [6 ] .

Propiedades de los fermiones

Los fermiones, a diferencia de los bosones , obedecen a la estadística de Fermi-Dirac : no más de una partícula puede estar en un estado cuántico (principio de Pauli ).

El principio de exclusión de Pauli es responsable de la estabilidad de las capas de electrones de los átomos , haciendo posible la existencia de elementos químicos complejos. También permite que exista materia degenerada bajo altas presiones ( estrellas de neutrones ).

La función de onda de un sistema de fermiones idénticos es antisimétrica con respecto a la permutación de dos fermiones cualesquiera.

Un sistema cuántico que consta de un número impar de fermiones es en sí mismo un fermión. Por ejemplo, un núcleo con un número de masa impar A (ya que los nucleones , protones y neutrones, son fermiones, y el número de masa es igual al número total de nucleones en el núcleo); un átomo o ion con una suma impar del número de electrones y el número de masa del núcleo (dado que los electrones también son fermiones, y el número total de fermiones en un átomo/ion es igual a la suma del número de nucleones en el núcleo y el número de electrones en la capa de electrones). Al mismo tiempo, los momentos angulares orbitales de las partículas que componen el sistema cuántico no afectan su clasificación como fermión o bosón, ya que todos los momentos orbitales son números enteros, y sumarlos en cualquier combinación al espín del sistema no puede convertir el espín medio entero total de un número impar de fermiones en un número entero. Un sistema formado por un número par de fermiones es un bosón: su espín total es siempre entero. Entonces, un átomo de helio-3 , que consta de dos protones, un neutrón y dos electrones (un total de cinco fermiones) es un fermión, y un átomo de litio-7 (tres protones, cuatro neutrones, tres electrones) es un bosón. Para los átomos neutros, el número de electrones coincide con el número de protones, es decir, la suma del número de electrones y protones siempre es par, por lo tanto, de hecho, la clasificación de un átomo neutro como bosón/fermión está determinada por el número par/impar de neutrones en su núcleo.

Fermiones fundamentales

Todos los fermiones actualmente conocidos que son partículas fundamentales (es decir, quarks y leptones ) tienen espín 1/2, mientras que los fermiones compuestos ( bariones , núcleos atómicos, átomos, etc. sistemas cuánticos) pueden tener espín 1/2, 3/2, 5/2 , etc.

Matemáticamente, los fermiones de espín 1/2 pueden ser de tres tipos:

Fermiones de Weyl (sin masa),
Fermiones de Dirac (masivo) y
Fermiones de Majorana (coincidiendo con su antipartícula).

Se cree que la mayoría de los fermiones del modelo estándar son fermiones de Dirac, aunque actualmente se desconoce si los neutrinos son fermiones de Dirac o de Majorana (o ambos). Los fermiones de Dirac pueden verse como una superposición[ aclarar ] dos fermiones de Weyl [7] . En julio de 2015, los fermiones de Weyl se realizaron experimentalmente como cuasipartículas en semimetales de Weyl .

De acuerdo con el Modelo Estándar, hay 12 tipos ( sabores ) de fermiones elementales: seis quarks y seis leptones [2] .

Los quarks tienen carga de color y participan en la interacción fuerte. Sus antipartículas se llaman antiquarks. Hay seis sabores de quarks (2 en cada generación):

	Nombre/sabor de quark/antiquark	Símbolo de quark/antiquark	Masa ( MeV )	Nombre/sabor de quark/antiquark	Símbolo de quark/antiquark	Masa ( MeV )
Generación	Quarks con carga (+2/3) e			Quarks con carga (−1/3) e
una	u-quark (up-quark) / anti-u-quark	$u/\,{\overline {u}}$	de 1.5 a 3	d-quark (quark abajo) / anti-d-quark	$d/\,{\overline {d}}$	4,79±0,07
2	quark c (encanto-quark) / anti-c-quark	$c/\,{\overline {c}}$	1250±90	s-quark (quark extraño) / anti-s-quark	$s/\,{\sobrelínea {s}}$	95±25
3	t-quark (top-quark) / anti-t-quark	$t/\,{\overline {t))$	174 340 ± 790 [8]	b-quark (quark inferior) / anti-b-quark	$b/\,{\overline {b}}$	4200±70

Todos los quarks también tienen una carga eléctrica que es un múltiplo de 1/3 de la carga elemental . En cada generación, un quark tiene una carga eléctrica de +2/3 (son quarks u, c y t) y uno tiene una carga de −1/3 (quarks d, s y b); Los antiquarks tienen cargas opuestas. Además de las interacciones fuerte y electromagnética, los quarks participan en la interacción débil.

Los leptones no participan en la interacción fuerte. Sus antipartículas son antileptones (la antipartícula del electrón se llama positrón por razones históricas). Hay seis leptones de sabor :

	Nombre	Símbolo	Carga eléctrica ( e )	Masa ( MeV )	Nombre	Símbolo	Carga eléctrica ( e )	Masa ( MeV ) [9]
Generación	Leptón cargado / antipartícula				Neutrino / antineutrino
una	electrón / positrón	$e^{-}\,/\,e^{+}$	−1 / +1	0.511	Neutrino electrónico / Antineutrino electrónico	$\nu _{e}\,/\,{\overline {\nu }}_{e}$	0	< 0.0000022
2	muón	$\mu^{-}\,/\,\mu^{+}$	−1 / +1	105.66	Neutrino muón / Antineutrino muón	$\nu _{\mu }\,/\,{\overline {\nu }}_{\mu }$	0	<0,17
3	Tau leptón	$\tau^{-}\,/\,\tau^{+}$	−1 / +1	1776.99	Neutrino tau / antineutrino tau	$\nu _{\tau}\,/\,{\overline {\nu}}_{\tau}$	0	<15,5

Las masas de los neutrinos no son iguales a cero (esto lo confirma la existencia de oscilaciones de neutrinos ), pero son tan pequeñas que aún no se han medido directamente para 2022.

Cuasipartículas

Las cuasipartículas también tienen espín y, por lo tanto, pueden clasificarse como fermiones y bosones. Ejemplos de cuasipartículas de fermiones son el polarón y el hueco , así como el electrón (considerado como cuasipartícula porque su masa efectiva en un cuerpo sólido difiere de su masa en el vacío).

Notas

↑ El asombroso mundo dentro del núcleo atómico. Preguntas después de la conferencia Archivado el 15 de julio de 2015 en Wayback Machine , FIAN, 11 de septiembre de 2007
↑ 1 2 3 Partículas e interacciones fundamentales . Consultado el 9 de enero de 2010. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2017. (indefinido)
↑ Más allá de la teoría de Einstein: supersimetría y supergravedad . Consultado el 9 de enero de 2010. Archivado desde el original el 12 de abril de 2009. (indefinido)
↑ Zubarev D. N. Fermi - Estadísticas de Dirac // Enciclopedia física : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1999. - V. 5: Dispositivos estroboscópicos - Brillo. - S. 283-284. — 692 pág. — 20.000 copias. — ISBN 5-85270-101-7 .
↑ Capítulo IX, § 61. El principio de indistinguibilidad de partículas idénticas. En: Landau L. D. , Lifshitz E. M. Mecánica cuántica (teoría no relativista). — Edición 4ª. - M. : Nauka , 1989. - S. 273-276. — 768 pág. - (" Física Teórica ", Tomo III). - ISBN 5-02-014421-5 .
↑ Notas sobre la conferencia de Dirac Developments in Atomic Theory en Le Palais de la Découverte, 6 de diciembre de 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Véase también la nota 64 en la pág. 331 Archivado el 15 de abril de 2022 en Wayback Machine en Farmelo G. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom.
↑ Morii T., Lim CS, Mukherjee SN La física del modelo estándar y más allá . - World Scientific , 2004. - ISBN 978-981-279-560-1 .
↑ Boos E. E., Brandt O., Denisov D., Denisov S. P., Grannis P. Top quark (en el vigésimo aniversario del descubrimiento) // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2015. - T. 185 . - S. 1241-1269 . - doi : 10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 . Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2016. (Ruso)
↑ Medidas de laboratorio y limitaciones de las propiedades de los neutrinos . Consultado el 25 de septiembre de 2009. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2012.

Enlaces

Fermion // Enciclopedia física : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1999. - V. 5: Dispositivos estroboscópicos - Brillo. - S. 284. - 692 pág. — 20.000 copias. — ISBN 5-85270-101-7 .

diccionarios y enciclopedias

En catálogos bibliográficos
BNE : XX534885 BNF : 11976538t TIERRA : 4121256-3 J9U : 987007529000905171 LCCN : sh85047833 SUDOC : 027801136

Partículas en física

partículas fundamentales

Fermiones

quarks	tu d s C b t
leptones	e -_ mi + μ − • μ + τ − • τ + neutrino ν mi • ν mi ν μ • ν μ ν τ • ν τ

bosones

Medir	γ gramo W ± •Z 0
Escalar	bosón de Higgs

partículas compuestas

hadrones

Bariones ( Hiperones )	Nucleones pags pags norte norte Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks
Mesones ( quarkonia )	π η • η′ pags ω φ J/ψ ϒ θ k B D T tetraquarks

Compuestos de partículas fundamentales y (o) compuestas

Común	núcleos atómicos deuterón Tritón Helión α átomos iones cationes aniones moléculas
Inusual	En física de hipernúcleos : Λ -hipernúcleos Hiperhidrógeno hipertritón Σ -hipernúcleos Átomos exóticos : Mesoátomos Muónico Hidrógeno muónico Hadrónico peonía Kaónico Antiprotón Σ -hiperónica átomos de leptón positronio muonio dimuonio protonio Peonía mesomolécula dipositronio