Фермионы
В физике элементарных частиц фермион — это частица, подчиняющаяся статистике Ферми–Дирака . Фермионы имеют полунечетный спин ( спин 1/2 , вращение 3/2 принципу и т. д .) и подчиняются исключения Паули . К этим частицам относятся все кварки и лептоны , а также все составные частицы, состоящие из числа нечетного их , такие как все барионы и многие атомы и ядра . Фермионы отличаются от бозонов , которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна .
Некоторые фермионы представляют собой элементарные частицы (например, электроны ), а некоторые — составные частицы (например, протоны ). Например, согласно теореме о спиновой статистике в релятивистской квантовой теории поля , частицы с целым спином являются бозонами . Напротив, 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 спин-статистика, на самом деле является соотношением спин-статистика-квантовое число. [1]
Вследствие принципа запрета Паули только один фермион может занимать определенное квантовое состояние в данный момент времени. Предположим, что несколько фермионов имеют одинаковое пространственное распределение вероятностей . Тогда по крайней мере одно свойство каждого фермиона, например его спин, должно отличаться. Фермионы обычно связаны с материей , тогда как бозоны обычно являются частицами- носителями силы . Однако при нынешнем состоянии физики элементарных частиц различие между этими двумя понятиями неясно. Слабо взаимодействующие фермионы также могут проявлять бозонное поведение в экстремальных условиях. Например, 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 .
Английский физик-теоретик Поль Дирак придумал название фермион от фамилии итальянского физика Энрико Ферми . [2]
Элементарные фермионы [ править ]
| Стандартная модель физики элементарных частиц |
|---|
 |
Стандартная модель признает два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны . Всего модель различает 24 различных фермиона. Существует шесть кварков ( верхний , нижний , странный , очарованный , нижний и верхний ) и шесть лептонов ( электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , тауон и тауонное нейтрино ), а также соответствующая античастица каждого из них.
С математической точки зрения существует множество разновидностей фермионов, из которых наиболее распространены три типа:
- Фермионы Вейля (безмассовые),
- Фермионы Дирака (массивные) и
- Майорановские фермионы (каждому своя античастица).
Считается, что большинство фермионов Стандартной модели являются фермионами Дирака, хотя в настоящее время неизвестно, являются ли нейтрино фермионами Дирака или Майорана (или теми и другими). Фермионы Дирака можно рассматривать как комбинацию двух фермионов Вейля. [3] : 106 В июле 2015 года фермионы Вейля были экспериментально реализованы в полуметаллах Вейля .
Композитные фермионы [ править ]
Сложные 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. Он будет иметь полуцелый спин.
Примеры включают следующее:
- Барион, такой как протон или нейтрон, содержит три фермионных кварка.
- Ядро атома углерода-13 содержит шесть протонов и семь нейтронов.
- Атом гелия-3 ( 3 He) состоит из двух протонов, одного нейтрона и двух электронов. Атом дейтерия состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона.
Число бозонов в составной частице, состоящей из простых частиц, связанных потенциалом, не влияет на то, бозон это или фермион.
Фермионное или бозонное поведение составной частицы (или системы) наблюдается только на больших (по сравнению с размером системы) расстояниях. При близости, когда пространственная структура становится важной, составная частица (или система) ведет себя в соответствии со своим составным составом.
Фермионы могут проявлять бозонное поведение, когда они становятся слабосвязанными в парах. В этом и заключается происхождение 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 ; они состоят из электронов с четным числом прикрепленных к ним квантованных вихрей.
См. также [ править ]
- Анион , 2D квазичастицы
- Хиральность (физика) , левша и правша
- Фермионный конденсат
- Вейль полуметаллический
- Фермионное поле
- Идентичные частицы
- Фермион Когута – Сасскинда , разновидность решеточного фермиона.
- Майорановские фермионы , каждая из которых имеет свою античастицу.
- Парастатистика
- Скирмион , гипотетическая частица
Примечания [ править ]
- ^ Вайнер, Ричард М. (4 марта 2013 г.). «Связь спин-статистика-квантовые числа и суперсимметрия» . Физический обзор D . 87 (5): 055003–05. arXiv : 1302.0969 . Бибкод : 2013PhRvD..87e5003W . дои : 10.1103/physrevd.87.055003 . ISSN 1550-7998 . S2CID 118571314 . Проверено 28 марта 2022 г.
- ^ Заметки к лекции Дирака «Развитие атомной теории» во Дворце Декуверт, 6 декабря 1945 г., UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. См. примечание 64 на странице 331 в книге Грэма Фармело «Самый странный человек: скрытая жизнь Поля Дирака, мистика атома».
- ^ Т. Мории; КС Лим; С. Н. Мукерджи (1 января 2004 г.). Физика Стандартной модели и за ее пределами . Всемирная научная . ISBN 978-981-279-560-1 .
