Войти
Антисимметричная волновая функция для (фермионного) двухчастичного состояния в потенциале с бесконечной квадратной ямой. В физике элементарных частиц, фермион - это частица, которая следует статистике Ферми-Дирака и обычно имеет половинный нечетный целочисленный спин 1/2, 3/2 и т.д. Эти частицы подчиняются принципу исключения Паули. Фермионы включают все кварки и лептоны, а также все составные частицы, состоящие из нечетного числа из них, например все барионы и многие атомы и ядра. Фермионы отличаются от бозонов, которые подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна.
Некоторые фермионы являются элементарными частицами, например, электронами, а некоторые составные частицы, такие как протоны. Согласно теореме спиновой статистики в релятивистской квантовой теории поля, частицы с целым спином бозоны, а частицы с полуцелым спином являются фермионами.
Помимо спиновой характеристики, фермионы обладают еще одним специфическим свойством: они обладают сохраняющимися барионными или лептонными квантовыми числами. Следовательно, то, что обычно называют соотношением спиновой статистики, на самом деле является соотношением спиновая статистика-квантовое число.
Как следствие принципа исключения Паули, только один фермион может занимать конкретное квантовое состояние. в определенный момент. Если несколько фермионов имеют одинаковое пространственное распределение вероятностей, то по крайней мере одно свойство каждого фермиона, такое как его спин, должно быть различным. Фермионы обычно ассоциируются с материей, тогда как бозоны обычно являются частицами-носителями силы, хотя в нынешнем состоянии физики элементарных частиц различие между этими двумя концепциями неясно. Слабо взаимодействующие фермионы также могут проявлять бозонное поведение в экстремальных условиях. При низких температурах фермионы проявляют сверхтекучесть для незаряженных частиц и сверхпроводимость для заряженных частиц.
Составные фермионы, такие как протоны и нейтроны, являются ключевыми строительными блоками повседневной материи.
Название фермион придумал английский физик-теоретик Поль Дирак по фамилии итальянского физика Энрико Ферми.
Стандартная модель распознает два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны. Всего в модели различают 24 различных фермиона. Есть шесть кварков (up, вниз, странный, очаровательный, нижний и верхний ) и шесть лептонов ( электронное, электронное нейтрино, мюонное, мюонное нейтрино, тауон и тауонное нейтрино ) вместе с соответствующей античастицей каждой из них.
Математически фермионы бывают трех типов:
Большинство фермионов Стандартной модели считаются фермионами Дирака, хотя в настоящее время неизвестно, являются ли нейтрино фермионами Дирака или Майорана (или обоими). Фермионы Дирака можно рассматривать как комбинацию двух фермионов Вейля. В июле 2015 года фермионы Вейля были экспериментально реализованы в полуметаллах Вейля.
Составные частицы (такие как адроны, ядра и атомы) могут быть бозонами или фермионами. в зависимости от их составляющих. Точнее, из-за связи между спином и статистикой частица, содержащая нечетное число фермионов, сама является фермионом. У него будет полуцелое вращение.
Примеры включают следующее:
Число бозонов в составной частице, состоящей из простых частиц, связанных с потенциал не влияет на то, бозон он или фермион.
Фермионное или бозонное поведение составной частицы (или системы) наблюдается только на больших (по сравнению с размером системы) расстояниях. Вблизи, где пространственная структура начинает играть важную роль, составная частица (или система) ведет себя в соответствии с ее составным составом.
Фермионы могут проявлять бозонное поведение, когда они становятся слабосвязанными парами. Это является источником сверхпроводимости и сверхтекучести гелия-3: в сверхпроводящих материалах электроны взаимодействуют посредством обмена фононами, образуя куперовские пары, а в гелий-3, куперовские пары образуются за счет спиновых флуктуаций.
Квазичастицы дробного квантового эффекта Холла также известны как составные фермионы, которые представляют собой электроны с четным числом квантованных вихрей, прикрепленных к ним.
В квантовой теории поля могут существовать полевые конфигурации бозонов, которые топологически закручены. Это когерентные состояния (или солитоны ), которые ведут себя как частица, и они могут быть фермионными, даже если все составляющие частицы являются бозонами. Это было обнаружено Тони Скирмом в начале 1960-х, поэтому фермионы, состоящие из бозонов, были названы в его честь скирмионами.
Исходный пример Скирма включал поля, которые принимают значения на трехмерной сфере, исходная нелинейная сигма-модель, которая описывает поведение пионов на больших расстояниях. В модели Скирма, воспроизведенной в приближении large N или string к квантовой хромодинамике (QCD), протон и нейтрон являются фермионными топологическими солитонами пионного поля.
В то время как пример Скирма включал физику пионов, есть гораздо более известный пример в квантовой электродинамике с магнитным монополем. Бозонный монополь с наименьшим возможным магнитным зарядом и бозонная версия электрона образуют фермионный дион.
Была использована аналогия между полем Скирма и полем Хиггса электрослабого сектора постулировать, что все фермионы - скирмионы. Это могло бы объяснить, почему все известные фермионы имеют барионные или лептонные квантовые числа, и обеспечить физический механизм для принципа исключения Паули.
