Fermion - Fermion

Função de onda anti-simétrica para um estado de 2 partículas (fermiônico) em um potencial de poço quadrado infinito.

Na física de partículas , um férmion é uma partícula que segue as estatísticas de Fermi-Dirac e geralmente tem meio spin inteiro ímpar: spin 1/2 , spin 3/2 etc. Essas partículas obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Os férmions incluem todos os quarks e léptons , bem como todas as partículas compostas feitas de um número ímpar desses, como todos os bárions e muitos átomos e núcleos . Os férmions diferem dos bósons , que obedecem às estatísticas de Bose-Einstein .

Alguns férmions são partículas elementares , como os elétrons , e alguns são partículas compostas , como os prótons . De acordo com o teorema da estatística de spin na teoria quântica de campos relativística , as partículas com spin inteiro são bósons , enquanto as partículas com spin meio inteiro são férmions.

Além da característica de spin, os férmions têm outra propriedade específica: eles possuem números quânticos bárions ou leptônicos conservados. Portanto, o que é geralmente referido como relação estatística de spin é, na verdade, uma relação estatística de spin-número quântico.

Como consequência do princípio de exclusão de Pauli, apenas um férmion pode ocupar um determinado estado quântico em um determinado momento. Se vários férmions tiverem a mesma distribuição de probabilidade espacial, pelo menos uma propriedade de cada férmion, como seu spin, deve ser diferente. Os férmions são geralmente associados à matéria , enquanto os bósons são geralmente partículas portadoras de força , embora no estado atual da física de partículas a distinção entre os dois conceitos não seja clara. Férmions com interação fraca também podem exibir comportamento bosônico sob condições extremas. Em baixa temperatura, os fermions mostram superfluidez para partículas não carregadas e supercondutividade para partículas carregadas.

Férmions compostos, como prótons e nêutrons , são os principais blocos de construção da matéria cotidiana .

O nome férmion foi cunhado pelo físico teórico inglês Paul Dirac a partir do sobrenome do físico italiano Enrico Fermi .

Férmions elementares

O modelo padrão reconhece dois tipos de férmions elementares: quarks e léptons . Ao todo, o modelo distingue 24 férmions diferentes. Existem seis quarks (para cima , para baixo , estranho , charme , inferior e superior ) e seis léptons ( elétron , neutrino de elétron , múon , neutrino de múon , tauon e neutrino de tauon ), junto com a antipartícula correspondente de cada um deles.

Matematicamente, os férmions vêm em três tipos:

Férmions de Weyl (sem massa),
Férmions de Dirac (maciços) e
Férmions de Majorana (cada um com sua própria antipartícula).

Acredita-se que a maioria dos férmions do Modelo Padrão sejam férmions de Dirac, embora não se saiba no momento se os neutrinos são férmions de Dirac ou Majorana (ou ambos). Os férmions de Dirac podem ser tratados como uma combinação de dois férmions de Weyl. Em julho de 2015, os férmions de Weyl foram realizados experimentalmente em semimetais de Weyl .

Férmions compostos

Partículas compostas (como hádrons , núcleos e átomos) podem ser bósons ou férmions, dependendo de seus constituintes. Mais precisamente, por causa da relação entre spin e estatística, uma partícula contendo um número ímpar de férmions é ela mesma um férmion. Ele terá spin de meio-inteiro.

Os exemplos incluem o seguinte:

Um bárion, como o próton ou nêutron, contém três quarks fermiônicos e, portanto, é um férmion.
O núcleo de um átomo de carbono-13 contém seis prótons e sete nêutrons e, portanto, é um férmion.
O átomo hélio-3 ( ³ He) é feito de dois prótons, um nêutron e dois elétrons e, portanto, é um férmion; Além disso, o átomo de deutério é feito de um próton, um nêutron e um elétron e, portanto, também é um férmion.

O número de bósons dentro de uma partícula composta feita de partículas simples ligadas a um potencial não tem efeito sobre se é um bóson ou um férmion.

O comportamento fermiônico ou bosônico de uma partícula composta (ou sistema) só é visto em grandes distâncias (em comparação com o tamanho do sistema). Na proximidade, onde a estrutura espacial começa a ser importante, uma partícula (ou sistema) composta se comporta de acordo com sua composição constituinte.

Os férmions podem exibir comportamento bosônico quando se tornam fracamente ligados aos pares. Esta é a origem da supercondutividade e da superfluidez do hélio-3: em materiais supercondutores, os elétrons interagem por meio da troca de fônons , formando pares de Cooper , enquanto no hélio-3, os pares de Cooper são formados por meio de flutuações de spin.

As quasipartículas do efeito Hall quântico fracionário também são conhecidas como férmions compostos , que são elétrons com um número par de vórtices quantizados anexados a eles.

Skyrmions

Em uma teoria quântica de campo, pode haver configurações de campo de bósons que são topologicamente torcidos. Esses são estados coerentes (ou solitons ) que se comportam como uma partícula e podem ser fermiônicos mesmo se todas as partículas constituintes forem bósons. Isso foi descoberto por Tony Skyrme no início dos anos 1960, então férmions feitos de bósons são chamados de skyrmions em sua homenagem .

O exemplo original de Skyrme envolveu campos que assumem valores em uma esfera tridimensional, o modelo sigma não linear original que descreve o comportamento de grandes distâncias de píons . No modelo de Skyrme, reproduzido na grande aproximação de N ou string para cromodinâmica quântica (QCD), o próton e o nêutron são solitons topológicos fermiônicos do campo píon.

Considerando que o exemplo de Skyrme envolveu a física do píon, há um exemplo muito mais familiar na eletrodinâmica quântica com um monopolo magnético . Um monopolo bosônico com a menor carga magnética possível e uma versão bosônica do elétron formarão um dyon fermiônico .