Fermión

En física de partículas, un fermión es una partícula que sigue las estadísticas de Fermi-Dirac. Generalmente, tiene un espín semientero impar: espín 1/2, espín 3/2, etc. Además, estas partículas obedecen al principio de exclusión de Pauli. Los fermiones incluyen todos los quarks y leptones y todas las partículas compuestas hechas de un número impar de estos, como todos los bariones y muchos átomos y núcleos. Los fermiones difieren de los bosones, que obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein.

Algunos fermiones son partículas elementales (como los electrones) y otros son partículas compuestas (como los protones). Por ejemplo, según el teorema de las estadísticas de espín de la teoría cuántica relativista de campos, las partículas con espín entero son bosones. Por el contrario, las partículas con giro semientero son fermiones.

Además de la característica de espín, los fermiones tienen otra propiedad específica: poseen números cuánticos bariónicos o leptónicos conservados. Por lo tanto, lo que generalmente se conoce como la relación estadística de espín es, de hecho, una relación estadística de espín-número cuántico.

Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, solo un fermión puede ocupar un estado cuántico particular en un momento dado. Supongamos que varios fermiones tienen la misma distribución de probabilidad espacial. Entonces, al menos una propiedad de cada fermión, como su espín, debe ser diferente. Los fermiones suelen estar asociados con la materia, mientras que los bosones son generalmente partículas portadoras de fuerza. Sin embargo, en el estado actual de la física de partículas, la distinción entre los dos conceptos no está clara. Los fermiones que interactúan débilmente también pueden mostrar un comportamiento bosónico en condiciones extremas. Por ejemplo, a bajas temperaturas, los fermiones muestran superfluidez para partículas sin carga y superconductividad para partículas cargadas.

Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones, son los componentes básicos de la materia cotidiana.

El físico teórico inglés Paul Dirac acuñó el nombre de fermión a partir del apellido del físico italiano Enrico Fermi.

Fermiones elementales

El Modelo Estándar reconoce dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones. En total, el modelo distingue 24 fermiones diferentes. Hay seis quarks (up, down, strange, charm, bottom y top), y seis leptones (electrón, neutrino electrónico, muon, neutrino muon, tauon y neutrino tauon), junto con la correspondiente antipartícula de cada uno de ellos.

Matemáticamente, los fermiones vienen en tres tipos:

• Fermiones de Weyl (sin masa),
• Fermiones de Dirac (masivo), y
• Fermiones de Majorana (cada uno su propia antipartícula).

Se cree que la mayoría de los fermiones del modelo estándar son fermiones de Dirac, aunque en este momento se desconoce si los neutrinos son fermiones de Dirac o de Majorana (o ambos). Los fermiones de Dirac se pueden tratar como una combinación de dos fermiones de Weyl. En julio de 2015, los fermiones de Weyl se realizaron experimentalmente en semimetales de Weyl.

Fermiones compuestos

Las partículas compuestas (como hadrones, núcleos y átomos) pueden ser bosones o fermiones según sus constituyentes. Más precisamente, debido a la relación entre espín y estadística, una partícula que contiene un número impar de fermiones es en sí misma un fermión. Tendrá espín medio entero.

Los ejemplos incluyen lo siguiente:

• Un barión, como el protón o el neutrón, contiene tres quarks fermiónicos y, por lo tanto, es un fermión.
• El núcleo de un átomo de carbono-13 contiene seis protones y siete neutrones y, por lo tanto, es un fermión.
• El átomo helio-3 (He) está formado por dos protones, un neutrón y dos electrones, y por lo tanto es un fermión; Además, el átomo de deuterio está formado por un protón, un neutrón y un electrón y, por lo tanto, también es un fermión.

El número de bosones dentro de una partícula compuesta formada por partículas simples unidas con un potencial no tiene efecto sobre si es un bosón o un fermión.

El comportamiento fermiónico o bosónico de una partícula compuesta (o sistema) solo se ve a grandes distancias (en comparación con el tamaño del sistema). En la proximidad, donde la estructura espacial comienza a ser importante, una partícula compuesta (o sistema) se comporta de acuerdo con su composición constituyente.

Los fermiones pueden exhibir un comportamiento bosónico cuando se unen libremente en pares. Este es el origen de la superconductividad y la superfluidez del helio-3: en los materiales superconductores, los electrones interactúan a través del intercambio de fonones, formando pares de Cooper, mientras que en el helio-3, los pares de Cooper se forman a través de fluctuaciones de espín.

Las cuasipartículas del efecto Hall cuántico fraccional también se conocen como fermiones compuestos, que son electrones con un número par de vórtices cuantificados adjuntos.