En física de partículas , un fermión es una partícula que sigue la estadística de Fermi-Dirac . Generalmente, tiene un espín entero medio impar: espín 1/2 , espín 3/2 , etc. Estas partículas obedecen al principio de exclusión de Pauli . Los fermiones incluyen todos los quarks y leptones y todas las partículas compuestas formadas por un número impar de estos, como todos los bariones y muchos átomos y núcleos . Los fermiones se diferencian de los bosones , que obedecen a la estadística 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 la estadística de espín de la teoría cuántica de campos relativista , las partículas con espín entero son bosones . Por el contrario, las partículas con espín 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 normalmente se denomina relación espín-estadística es, de hecho, una relación estadística de espín-número cuántico. [1]
Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, sólo 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 generalmente son partículas portadoras de fuerza . Sin embargo, en el estado actual de la física de partículas, la distinción entre ambos 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 las partículas no cargadas y superconductividad para las partículas cargadas.
Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones , son los componentes clave de la materia cotidiana .
El físico teórico inglés Paul Dirac acuñó el nombre fermión a partir del apellido del físico italiano Enrico Fermi . [2]
El Modelo Estándar reconoce dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones . En total, el modelo distingue 24 fermiones diferentes. Hay seis quarks ( arriba , abajo , extraño , encanto , abajo y arriba ), y seis leptones ( electrón , neutrino electrónico , muón , neutrino muónico , tauón y neutrino tauón ), junto con la correspondiente antipartícula de cada uno de estos.
Matemáticamente, existen muchas variedades de fermiones, siendo los tres tipos más comunes:
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 Majorana (o ambos). Los fermiones de Dirac se pueden tratar como una combinación de dos fermiones de Weyl. [3] : 106 En julio de 2015, los fermiones de Weyl se realizaron experimentalmente en semimetales de Weyl .
Las partículas compuestas (como hadrones , núcleos y átomos) pueden ser bosones o fermiones según sus constituyentes. Más precisamente, debido a la relación entre el espín y la estadística, una partícula que contiene un número impar de fermiones es en sí misma un fermión. Tendrá espín medio entero.
Los ejemplos incluyen los siguientes:
El número de bosones dentro de una partícula compuesta formada por partículas simples unidas con un potencial no tiene ningún efecto sobre si es un bosón o un fermión.
El comportamiento fermiónico o bosónico de una partícula (o sistema) compuesto solo se observa a distancias grandes (en comparación con el tamaño del sistema). En la proximidad, donde la estructura espacial comienza a ser importante, una partícula (o sistema) compuesta se comporta de acuerdo con la composición de sus constituyentes.
Los fermiones pueden exhibir un comportamiento bosónico cuando se unen débilmente en pares. Éste es el origen de la superconductividad y de la superfluidez del helio-3: en los materiales superconductores, los electrones interactúan mediante el intercambio de fonones , formando pares de Cooper , mientras que en el helio-3, los pares de Cooper se forman mediante fluctuaciones de espín.
Las cuasipartículas del efecto Hall cuántico fraccionario también se conocen como fermiones compuestos ; Consisten en electrones con un número par de vórtices cuantificados adheridos a ellos.
