В физике элементарных частиц фермион — это частица, которая подчиняется статистике Ферми–Дирака . Фермионы имеют полунечетный целый спин ( спин 1 / 2 , спин 3 / 2 и т. д.) и подчиняются принципу исключения Паули . К этим частицам относятся все кварки и лептоны , а также все составные частицы, состоящие из нечетного числа этих частиц, такие как все барионы и многие атомы и ядра . Фермионы отличаются от бозонов , которые подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна .
Некоторые фермионы являются элементарными частицами (например, электроны ), а некоторые — составными частицами (например, протоны ). Например, согласно теореме о спиновой статистике в релятивистской квантовой теории поля , частицы с целым спином являются бозонами . Напротив, частицы с полуцелым спином являются фермионами.
В дополнение к спиновой характеристике фермионы обладают еще одним специфическим свойством: они обладают сохраняющимися барионными или лептонными квантовыми числами . Поэтому то, что обычно называют соотношением спин-статистика, на самом деле является соотношением спин-статистика-квантовое число. [1]
Вследствие принципа исключения Паули только один фермион может занимать определенное квантовое состояние в данный момент времени. Предположим, что несколько фермионов имеют одинаковое пространственное распределение вероятностей . Тогда по крайней мере одно свойство каждого фермиона, такое как его спин, должно быть разным. Фермионы обычно связаны с материей , тогда как бозоны, как правило, являются частицами- переносчиками силы . Однако в современном состоянии физики элементарных частиц различие между этими двумя понятиями неясно. Слабо взаимодействующие фермионы также могут демонстрировать бозонное поведение в экстремальных условиях. Например, при низких температурах фермионы демонстрируют сверхтекучесть для незаряженных частиц и сверхпроводимость для заряженных частиц.
Составные фермионы, такие как протоны и нейтроны , являются ключевыми строительными блоками повседневной материи .
Английский физик-теоретик Поль Дирак придумал название фермион от фамилии итальянского физика Энрико Ферми . [2]
Стандартная модель распознает два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны . Всего модель различает 24 различных фермиона. Существует шесть кварков ( верхний , нижний , странный , очарованный , нижний и верхний ) и шесть лептонов ( электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , тауон и тауонное нейтрино ), а также соответствующие античастицы каждого из них.
С математической точки зрения существует множество разновидностей фермионов, из которых наиболее распространены три типа:
Большинство фермионов Стандартной модели считаются фермионами Дирака, хотя на данный момент неизвестно, являются ли нейтрино фермионами Дирака или Майораны (или обоими). Фермионы Дирака можно рассматривать как комбинацию двух фермионов Вейля. [3] : 106 В июле 2015 года фермионы Вейля были экспериментально реализованы в полуметаллах Вейля .
Составные частицы (такие как адроны , ядра и атомы) могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их составляющих. Точнее, из-за связи между спином и статистикой, частица, содержащая нечетное число фермионов, сама является фермионом. Она будет иметь полуцелый спин.
Вот несколько примеров:
Число бозонов в составной частице, состоящей из простых частиц, связанных потенциалом, не влияет на то, является ли она бозоном или фермионом.
Фермионное или бозонное поведение составной частицы (или системы) наблюдается только на больших (по сравнению с размером системы) расстояниях. В близости, где пространственная структура начинает играть важную роль, составная частица (или система) ведет себя в соответствии со своим составным составом.
Фермионы могут проявлять бозонное поведение, когда они становятся слабо связанными в пары. Это является источником сверхпроводимости и сверхтекучести гелия -3: в сверхпроводящих материалах электроны взаимодействуют посредством обмена фононами , образуя куперовские пары , тогда как в гелии-3 куперовские пары образуются посредством спиновых флуктуаций.
Квазичастицы дробного квантового эффекта Холла также известны как составные фермионы ; они состоят из электронов с четным числом квантованных вихрей, прикрепленных к ним.
