Na física de partículas , um férmion é uma partícula que segue as estatísticas de Fermi-Dirac . Geralmente, tem um spin meio inteiro ímpar: spin 1/2 , spin 3/2 , etc. Além disso, essas partículas obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Os férmions incluem todos os quarks e léptons e todas as partículas compostas feitas de um número ímpar destes, como todos os bárions e muitos átomos e núcleos . Os férmions diferem dos bósons , que obedecem Estatísticas de Bose-Einstein.
Além da característica de spin, os férmions têm outra propriedade específica: eles possuem números quânticos de bárions ou léptons conservados . Portanto, o que geralmente é chamado de relação spin-estatística é, na verdade, uma relação spin-estatística-número quântico. [1]
Como consequência do princípio de exclusão de Pauli, apenas um férmion pode ocupar um determinado estado quântico em um determinado momento. Suponha que vários férmions tenham a mesma distribuição de probabilidade espacial . Então, 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 . No entanto, no estado atual da física de partículas, a distinção entre os dois conceitos não é clara. Férmions de interação fraca também podem exibir comportamento bosônico sob condições extremas. Por exemplo, em baixas temperaturas, os férmions mostram superfluidez para partículas não carregadas e supercondutividadepara partículas carregadas.
Férmions compostos, como prótons e nêutrons , são os principais blocos de construção da matéria cotidiana .
O físico teórico inglês Paul Dirac cunhou o nome férmion do sobrenome do físico italiano Enrico Fermi . [2]
Férmions elementares
| Modelo padrão de física de partículas |
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O Modelo Padrão reconhece dois tipos de férmions elementares: quarks e léptons . Ao todo, o modelo distingue 24 férmions diferentes. Existem seis quarks ( up , down , strange , charm , bottom e top ) e seis léptons ( elétron , neutrino do elétron , múon , neutrino do múon , tauon e neutrino do tauon ) , junto com a antipartícula correspondente de cada um deles.
Matematicamente, existem muitas variedades de férmions, sendo os três tipos mais comuns:
- 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 neste momento se os neutrinos são férmions de Dirac ou de Majorana (ou ambos). Os férmions de Dirac podem ser tratados como uma combinação de dois férmions de Weyl. [3] : 106 Em julho de 2015, 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 um spin semi-inteiro.
Os exemplos incluem o seguinte:
- Um bárion, como o próton ou o nêutron, contém três quarks fermiônicos.
- O núcleo de um átomo de carbono-13 contém seis prótons e sete nêutrons.
- O átomo hélio-3 ( 3 He) consiste em dois prótons, um nêutron e dois elétrons. O átomo de deutério consiste em um próton, um nêutron e um elétron.
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 composta (ou sistema) se comporta de acordo com sua composição constituinte.
Os férmions podem exibir comportamento bosônico quando se tornam frouxamente ligados em 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 flutuações de spin.
As quasipartículas do efeito Hall quântico fracionário também são conhecidas como férmions compostos ; eles consistem em elétrons com um número par de vórtices quantizados ligados a eles.
Notas
- ^ Weiner, Richard M. (4 de março de 2013). "Conexão número spin-estatística-quântica e supersimetria" . Revisão Física D . 87 (5): 055003–05. arXiv : 1302.0969 . Código Bib : 2013PhRvD..87e5003W . doi : 10.1103/physrevd.87.055003 . ISSN 1550-7998 . S2CID 118571314 . Recuperado em 28 de março de 2022 .
- ↑ Notas sobre a palestra de Dirac Developments in Atomic Theory no Le Palais de la Découverte, 6 de dezembro de 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Veja a nota 64 na página 331 em "The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom" de Graham Farmelo
- ^ T. Morii; CS Lim; SN Mukherjee (1 de janeiro de 2004). A Física do Modelo Padrão e Além . Mundial Científico . ISBN 978-981-279-560-1.
