Fermion - Fermion

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Antisymetrická vlnová funkce pro (fermionický) 2-částicový stav v potenciálu nekonečné čtvercové jamky.

Ve fyzice částic je fermion částicí, která sleduje statistiku Fermi – Dirac a má obvykle poloviční liché celočíselné otáčení: otáčení 1/2 , otáčení 3/2 atd. Tyto částice se řídí Pauliho vylučovacím principem . Fermiony zahrnují všechny kvarky a leptony , stejně jako všechny složené částice vyrobené z lichého počtu z nich, jako jsou všechny baryony a mnoho atomů a jader . Fermiony se liší od bosonů , které se řídí statistikami Bose – Einstein .

Některé fermiony jsou elementární částice , například elektrony , jiné kompozitní částice , například protony . Podle průvodních statistiky věta v relativistické kvantové pole , částice s integer spinu jsou bosons , zatímco částice s polovina celého čísla rotace jsou fermions.

Kromě spinové charakteristiky mají fermiony ještě další specifickou vlastnost: mají konzervovaná kvantová čísla baryonu nebo leptonu. To, co se obvykle označuje jako statistika spinové relace, je ve skutečnosti relace statistika spin-kvantové číslo.

V důsledku Pauliho vylučovacího principu může pouze jeden fermion obsadit určitý kvantový stav v daném čase. Pokud více fermionů má stejné rozdělení prostorové pravděpodobnosti, pak musí být alespoň jedna vlastnost každého fermionu, například jeho rotace, odlišná. Fermiony jsou obvykle spojovány s hmotou , zatímco bosony jsou obecně silové částice síly , i když v současném stavu částicové fyziky je rozdíl mezi těmito dvěma pojmy nejasný. Slabě interagující fermiony mohou také zobrazovat bosonické chování za extrémních podmínek. Při nízké teplotě vykazují fermiony superfluiditu pro nenabité částice a supravodivost pro nabité částice.

Kompozitní fermiony, jako jsou protony a neutrony , jsou klíčovými stavebními kameny každodenní hmoty .

Název fermion vytvořil anglický teoretický fyzik Paul Dirac z příjmení italského fyzika Enrica Fermiho .

Elementární fermiony

Standardní model rozlišuje dva typy elementárních fermiony: quarks a leptony . Celkově model rozlišuje 24 různých fermionů. Existuje šest kvarků ( nahoru , dolů , podivné , kouzlo , dole a nahoře ) a šest leptonů ( elektron , elektronové neutrino , mion , muonové neutrino , tauon a tauonové neutrino ) spolu s odpovídajícími antičásticemi každého z nich.

Matematicky, fermiony přicházejí ve třech typech:

Většina fermionů standardního modelu je považována za diracské fermiony, i když v současnosti není známo, zda jsou neutriny fermiony Dirac nebo Majorana (nebo obojí). Dirac fermiony lze považovat za kombinaci dvou Weyl fermionů. V červenci 2015 byly Weylovy fermiony experimentálně realizovány ve Weylových semimetálech .

Složené fermiony

Kompozitní částice (například hadrony , jádra a atomy) mohou být bosony nebo fermiony v závislosti na jejich složkách. Přesněji řečeno, kvůli vztahu mezi spinem a statistikou je částice obsahující lichý počet fermionů sama o sobě fermionem. Bude to mít celočíselný spin.

Mezi příklady patří následující:

  • Baryon, jako je proton nebo neutron, obsahuje tři fermionové kvarky a je tedy fermionem.
  • Jádro atomu uhlíku-13 obsahuje šest protonů a sedm neutronů, a je tedy fermionem.
  • Atom helium-3 ( 3 He) je vyroben ze dvou protonů, jednoho neutronu a dvou elektronů, a proto je to fermion; Také atom deuteria je vyroben z jednoho protonu, jednoho neutronu a jednoho elektronu, a proto je také fermionem.

Počet bosonů ve složené částice složené z jednoduchých částic vázaných na potenciál nemá žádný vliv na to, zda se jedná o boson nebo fermion.

Fermionové nebo bosonické chování složené částice (nebo systému) je vidět pouze na velké vzdálenosti (ve srovnání s velikostí systému). V blízkosti místa, kde začíná být důležitá prostorová struktura, se kompozitní částice (nebo systém) chová podle svého složení.

Fermiony mohou projevovat bosonické chování, když se volně spojí v párech. Toto je původ supravodivosti a supratekutosti helia-3: v supravodivých materiálech elektrony interagují prostřednictvím výměny fononů a vytvářejí Cooperovy páry , zatímco v heliu-3 se Cooperovy páry tvoří fluktuacemi spinů.

Kvazičástice frakčního kvantového Hallova jevu jsou také známé jako kompozitní fermiony , což jsou elektrony se sudým počtem kvantovaných vírů.

Skyrmions

V teorii kvantového pole mohou existovat polní konfigurace bosonů, které jsou topologicky zkroucené. Jedná se o koherentní stavy (nebo solitony ), které se chovají jako částice, a mohou být fermionické, i když jsou všechny základní částice bosony. To objevil Tony Skyrme na počátku 60. let, takže fermiony z bosonů jsou podle něj pojmenovány skyrmiony .

Původní příklad Skyrme zahrnoval pole, která nabývají hodnot na trojrozměrné sféře, původní nelineární sigma model, který popisuje chování pionů na velké vzdálenosti . V Skyrmeově modelu, reprodukovaném ve velkém N nebo strunové aproximaci kvantové chromodynamiky (QCD), jsou proton a neutron fermionické topologické solitony pionového pole.

Zatímco Skyrmeův příklad zahrnoval fyziku pionů, v kvantové elektrodynamice s magnetickým monopolem existuje mnohem známější příklad . Bosonický monopol s nejmenším možným magnetickým nábojem a bosonická verze elektronu vytvoří fermionový dyon .

Viz také

Poznámky