Férmion

Fermions formam uma das duas classes fundamentais de partícula subatômica, a outra sendo bosons. Todas as partículas subatômicas devem ser uma ou outra. Uma partícula composta (hadron) pode cair em qualquer classe dependendo de sua composição

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 às estatísticas de Bose-Einstein.

Alguns férmions são partículas elementares (como os elétrons) e alguns são partículas compostas (como os prótons). Por exemplo, de acordo com o teorema da estatística de spin na teoria quântica de campo relativística, as partículas com spin inteiro são bósons. Em contraste, partículas com spin semi-inteiro são férmions.

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.

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 geralmente estão associados à matéria, enquanto os bósons são geralmente partículas transportadoras 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 supercondutividade para 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.

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 (up, down, strange, charm, bottom e top) e seis léptons (elétron, neutrino do elétron, múon, neutrino do múon, tauon e neutrino do tauon), juntamente com a antipartícula correspondente de cada um deles.

Matematicamente, existem muitas variedades de férmions, sendo os três tipos mais comuns:

• Fermions de Weyl (massless),
• Fermions de Dirac (massivo) e
• Majorana fermions (cada seu próprio 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. 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, devido à relação entre spin e estatística, uma partícula contendo um número ímpar de férmions é ela própria um férmion. Ele terá um spin semi-inteiro.

Os exemplos incluem o seguinte:

• Um baryon, como o próton ou nêutron, contém três quarks fermiônicos.
• O núcleo de um átomo de carbono-13 contém seis prótons e sete neutrões.
• O hélio atom-3 (³Ele) consiste em dois prótons, um nêutron e dois elétrons. O átomo de deutério consiste em um próton, um neutrônio e um elétron.

O número de bósons dentro de uma partícula composta 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.