В физике элементарных частиц фермион — это частица, подчиняющаяся статистике Ферми–Дирака . Как правило, он имеет полунечетный спин: спин 1/2 , спин 3/2 и т . д . Эти частицы подчиняются принципу исключения Паули . К фермионам относятся все кварки и лептоны , а также все составные частицы , состоящие из нечетного их числа , такие как все барионы и многие атомы и ядра . Фермионы отличаются от бозонов , которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна .
Некоторые фермионы являются элементарными частицами (например, электронами ), а некоторые — составными частицами (например, протонами ). Например, согласно теореме о спиновой статистике в релятивистской квантовой теории поля , частицы с целым спином являются бозонами . Напротив, частицы с полуцелым спином являются фермионами.
Помимо спиновой характеристики, фермионы обладают еще одним специфическим свойством: они обладают сохраняющимися барионными или лептонными квантовыми числами . Следовательно, то, что обычно называют соотношением спин-статистика, на самом деле является соотношением спин-статистика-квантовое число. [1]
Вследствие принципа запрета 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, например его спин, должно отличаться. Фермионы обычно связаны с материей , тогда как бозоны обычно являются частицами -носителями силы . Однако при нынешнем состоянии физики элементарных частиц различие между этими двумя понятиями неясно. Слабо взаимодействующие фермионы также могут проявлять бозонное поведение в экстремальных условиях. Например, при низких температурах фермионы проявляют 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 признает 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 соответствующая античастица каждого из них.
С математической точки зрения существует множество разновидностей фермионов, наиболее распространенными из которых являются три типа:
Считается, что большинство фермионов Стандартной модели являются фермионами Дирака, хотя в настоящее время неизвестно, являются ли нейтрино фермионами Дирака или Майорана (или теми и другими). Фермионы Дирака можно рассматривать как комбинацию двух фермионов Вейля. [3] : 106 В июле 2015 года фермионы Вейля были экспериментально реализованы в полуметаллах Вейля .
Сложные 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. Он будет иметь полуцелый спин.
Примеры включают следующее:
Число бозонов в составной частице, состоящей из простых частиц, связанных потенциалом, не влияет на то, бозон это или фермион.
Фермионное или бозонное поведение составной частицы (или системы) наблюдается только на больших (по сравнению с размером системы) расстояниях. При близости, когда пространственная структура становится важной, составная частица (или система) ведет себя в соответствии со своим составным составом.
Фермионы могут проявлять бозонное поведение, когда они становятся слабосвязанными в парах. В этом и заключается происхождение 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 прикрепленных к ним квантованных вихрей.
