Fermión

Štandardný model elementárnych častíc. Fermióny tvoria prvé tri stĺpce

V časticovej fyzike sa za fermióny považujú všetky častice, ktoré sa správajú podľa Fermiho-Diracovho rozdelenia a platí pre ne Pauliho vylučovací princíp. Patria medzi ne všetky kvarky, leptóny a všetky častice zložené z nepárneho počtu leptónov/kvarkov a tiež aj všetky baryóny a množstvo atómov a jadier.

Medzi fermióny patria elementárne častice, ako napr. elektrón a aj zložené častice, ako napr. protón. Podľa teórie spinového rozdelenia častice s celočíselnou hodnotou spinu sú bozóny a častice so spinom v hodnote n.1/2 sú fermióny (kde n = 1, 3, 5,...).

Na rozdiel od bozónov sa v určitom konkrétnom kvantovom stave môže nachádzať len jeden fermión v danom čase. V prípade, že sa v rovnakom priestore nachádza viac ako jeden fermión, tak sa musia navzájom odlišovať aspoň jednou vlastnosťou ako napríklad spinom. Fermióny zvyčajne predstavujú častice tvoriace hmotu, zatiaľ čo bozóny sa považujú za častice sprostredkujúce prenos síl. Napriek tomu v súčasnom stave časticovej fyziky nie sú jasné rozdiely medzi týmito časticami.

Štandardný model rozoznáva dva typy elementárnych fermiónov: kvarky a leptóny. Celkovo model rozlišuje 24 rozličných fermiónov: 6 kvarkov a 6 leptónov so svojimi antičasticami.

Zložené fermióny, ako protóny a neutróny, sú základnými prvkami hmoty. Fermióny, v rámci slabej interakcie, sa v extrémnych podmienkach môžu správať ako bozóny a prejavovať sa takým spôsobom ako napríklad supravodivosť (Cooperové páry).

Zložené fermióny

Zložené častice môžu patriť medzi bozóny alebo fermióny, podľa toho z akých častíc sa skladajú. Presnejšie, vďaka vzťahu medzi spinom a rozdelením, častica zložená z nepárneho počtu fermiónov bude patriť medzi fermióny a bude mať poločíselný spin. Podľa toho sem patria napríklad:

• Baryóny, napr. protón a neutrón, pretože obsahujú 3 kvarky.
• Jadrá ako napr. jadro uhlíka-13, pretože obsahuje 6 protónov a 7 neutrónov.
• Atómy ako napr. Hélium-3 (³He), pretože obsahuje 2 protóny, neutrón a 2 elektróny.

Počet bozónov v zloženej častici nemá žiadny vplyv na to či častica patrí medzi bozóny alebo fermióny.

To či sa zložená častica (systém) správa ako fermión alebo ako bozón je pozorovateľné len z veľkej vzdialenosti (v porovnaní s veľkosťou systému). V blízkosti (kde je dôležitá priestorová štruktúra) sa zložené častice (systémy) správajú v závislosti od toho, z akých častíc sa skladajú.

Fermióny sa môžu javiť ako bozóny v prípade, ak sa spárujú do dvojíc. V tom pramení aj pôvod supravodivosti a supratekutosti hélia-3, v supravodivých materiáloch elektróny medzi sebou interagujú prostredníctvom výmeny fonónou, ktoré tvoria Cooperové páry, zatiaľ čo v héliu-3 sa Cooperove páry tvoria prostredníctvom fluktuácií spinu.

Skyrmióny

V rámci kvantovej teórie polí môžu existovať konfigurácie poľa bozónov, ktoré sú topologicky skrútené. Tieto súdržné stavy (solitóny), ktoré sa správajú ako častice môžu patriť medzi fermióny dokonca aj ak sa skladajú len z bozónov. Tieto prípady objavil na začiatku 60-tých rokov Tony Skyrme, a preto sa fermióny zložené len z bozónov nazývajú skyrmióny.

Pôvodný Skyrmeho príklad zahŕňal polia v tvare trojrozmernej gule, pôvodný nelineárny sigma model popisuje správanie piónov.

Aj keď Skyrmeho príklad zahŕňal fyziku piónov, tak existuje omnoho známejší príklad v kvantovej chromodynamike a to magnetický monopól. Bozónový monopól s najmenším možným magnetickým nábojom a bozónová verzia elektrónu spolu vytvoria fermiónový dyón.

Analógia medzi Skyrmeho poľom a Higgsovým poľom v elektroslabej časti bola použitá pri vzniku tvrdenia, že všetky fermióny sú skyrmióny. Čo vysvetľuje, prečo všetky známe fermióny majú baryónové alebo leptónové kvantové čísla a poskytuje aj fyzikálny mechanizmus pre Pauliho vylučovací princíp.

Pozri aj

• Bozón
• Nerozlíšiteľné častice
• Majoranovský fermión
• Supravodivosť