Фермион - Fermion

Антисимметричная волновая функция для (фермионного) двухчастичного состояния в потенциале с бесконечной квадратной ямой.

В физике элементарных частиц , A фермионное представляет собой частицу , которая следует статистике Ферми-Дирака и в общем случае имеет половину нечетное целое число спина: спин 1/2 , спин 3/2 , и т.д. Эти частицы подчиняются принципу Паули . Фермионы включают в себя все кварки и лептоны , а также все составные частицы, состоящие из нечетного их числа , такие как все барионы и многие атомы и ядра . Фермионы отличаются от бозонов , которые подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна .

Некоторые фермионы являются элементарными частицами , такими как электроны , а некоторые - составными частицами , такими как протоны . Согласно теореме спиновой статистики в релятивистской квантовой теории поля частицы с целым спином являются бозонами , а частицы с полуцелым спином - 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 спиновой статистики и квантового числа.

Как следствие принципа исключения Паули, только один фермион может занимать конкретное квантовое состояние в данный момент времени. 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 незаряженных частиц и сверхпроводимость для заряженных частиц.

Составные фермионы, такие как протоны и нейтроны , являются ключевыми строительными блоками повседневной материи .

Название фермион было придумано английским физиком-теоретиком Полем Дираком по фамилии итальянского физика Энрико Ферми .

Элементарные фермионы

Стандартная модель распознает два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны . Всего в модели различают 24 различных фермиона. Есть шесть кварков ( вверх , вниз , странно , обаяние , нижние и верхние ), а также шесть лептонов ( электрон , электронное нейтрино , мюоны , мюонное нейтрино , tauon и tauon нейтрино ), наряду с соответствующей античастицей каждый из них.

Математически фермионы бывают трех типов:

Считается, что большинство фермионов Стандартной модели являются 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 г. фермионы Вейля были экспериментально реализованы в полуметаллах Вейля .

Композитные фермионы

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:

  • Барион, такой как протон или нейтрон, содержит три фермионных кварка и, следовательно, является фермионом.
  • Ядро атома углерода-13 содержит шесть протонов и семь нейтронов и, следовательно, является фермионом.
  • Атом гелия-3 ( 3 He) состоит из двух протонов, одного нейтрона и двух электронов, и поэтому он является фермионом; Также атом дейтерия состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона, и поэтому он также является фермионом.

Число бозонов в составной частице, состоящей из простых частиц, связанных с потенциалом, не влияет на то, является ли она бозоном или фермионом.

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 причина сверхпроводимости и сверхтекучести гелия-3: в сверхпроводящих материалах электроны взаимодействуют посредством обмена фононами , образуя куперовские пары , а в гелии-3 куперовские пары образуются посредством спиновых флуктуаций.

Квазичастицы дробного квантового эффекта Холла также известны как составные фермионы , которые представляют собой электроны с четным числом квантованных вихрей, прикрепленных к ним.

Скирмионы

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 скирмионами в его честь.

Исходный пример Скирма включал поля, которые принимают значения на трехмерной сфере, исходную нелинейную сигма-модель, которая описывает поведение пионов на больших расстояниях . В модели Скирма, воспроизводимой в приближении больших N или струн к квантовой хромодинамике (КХД), протон и нейтрон являются фермионными топологическими солитонами пионного поля.

В то время как пример Скирма касался физики пионов, есть гораздо более известный пример квантовой электродинамики с магнитным монополем . Бозонный монополь с наименьшим возможным магнитным зарядом и бозонная версия электрона образуют фермионный дион .

Смотрите также

Примечания

внешние ссылки

Послушайте эту статью ( 9 минут )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 11 июля 2021 года и не отражает последующих правок. ( 2021-07-11 )