Fermió

Fermió

En aquesta gràfica de les partícules elementals del model estàndard, les tres columnes de més a l'esquerra corresponen als fermions
Classificació	massive quantum particle (en)
Interaccions	gravetat
Espín	1
Supercompanya	sfermió
Epònim	Enrico Fermi

Un fermió és qualsevol partícula elemental o sistema lligat que presenta un espín semienter i amb un comportament que s'ajusta a l'estadística de Fermi-Dirac. Entre els fermions trobem partícules elementals com els leptons i els quarks, entre els sistemes lligats trobem partícules compostes com els barions o nuclis atòmics com en el cas del triti o l'heli 3. Tota la matèria està formada per fermions. Els fermions reben el nom en honor del físic italià Enrico Fermi (1901-1954).

La principal diferència entre els fermions i els bosons, l'altre grup de partícules elementals que conforma el model estàndard, rau en el fet que els fermions obeeixen el principi d'exclusió de Pauli, que estableix que dues partícules no poden ocupar el mateix estat quàntic alhora.

Fermions elementals

El model estàndard reconeix dos tipus de fermions elementals: els quarks i els leptons. En total, el model distingeix 24 tipus diferents de fermions. Hi ha sis quarks (quark u, quark d, quark s, quark c, quark b i quark t) i sis leptons (electró, neutrí electrònic, muó, neutrí muònic, leptó tauó i neutrí tauó), juntament amb l' antipartícula corresponent de cadascun d'ells.

Matemàticament, hi ha moltes varietats de fermions, amb els tres tipus més comuns:

• Fermions de Weyl (sense massa),
• Fermions de Dirac (massius)
• Fermions Majorana (cadascun la seva pròpia antipartícula).

Es creu que la majoria dels fermions del model estàndard són fermions de Dirac, encara que es desconeix en aquest moment si els neutrins són fermions de Dirac o de Majorana (o tots dos). Els fermions de Dirac es poden tractar com una combinació de dos fermions de Weyl. El juliol de 2015, els fermions de Weyl s'han realitzat experimentalment en semimetalls de Weyl .

Fermió de Dirac

Un fermió de Dirac és un fermió que no és la seva pròpia antipartícula, anomenats així per Paul Dirac. Tots els fermions al Model Estàndard, excepte possiblement els neutrins, són fermions de Dirac.

Fermió de Majorana

Un fermió de Majorana és un fermió que és la seva pròpia antipartícula, anomenats així per Ettore Majorana. No es coneixen fermions de Majorana a la natura.

Leptons

La primera família de leptons està formada per l'electró, el positró i el neutrí. L'electró té càrrega elèctrica negativa de -1.6 × 10^-19 coulombs i massa de 9.10 × 10^-31 kg. Es representa habitualment com a e^-. El positró, l'antipartícula (simetria C, de càrrega) de l'electró té la mateixa massa, i càrrega positiva. Es representa per e⁺. El neutrí, segons els últims experiments de detecció de neutrins solars, tindria massa, encara que aquesta no s'ha pogut determinar amb precisió fins avui, i seria petita. Aquests leptons, juntament amb els quarks u, d, formen el primer de tres grups de partícules, o generacions. Les altres generacions només es diferencien d'aquesta en la massa. En la segona família, el leptó similar a l'electró és el muó, i l'anàleg del neutrí és el neutrí muònic. En la tercera generació, la partícula similar a l'electró és el tau. Al neutrí li correspon el neutrí tauònic.

Leptons

Nom	Càrrega	Massa (GeV)
Electró	-1	0,000511
Neutrí electrònic	0	~0
Muó	-1	0,1056
Neutrí muònic	0	~0
Tauó	-1	1,777
Neutrí tauònic	0	~0

Quarks

El quark u i el quark d són els components del protó (uud), del neutró (udd), i els altres hadrons. Es creu que només poden existir en grups de dos, o tres (o més recentment, cinc). Es diferencien dels leptons pel fet que tenen càrregues de +2/3, o -1/3 (-2/3, o +1/3 els antiquarks). Tots els quarks tenen un espín de ½ ћ. La segona generació està formada pel quark c i el quark s. La tercera és la que formen el quark t i el quark b.

Les estimacions de les masses dels quarks u, i d, són objecte de controvèrsia, i encara s'investiguen; de fet, hi ha autors que suggereixen que el quark u podria essencialment no tenir massa.

Quarks

Nom	Càrrega	Massa (MeV)
U Up (u)	+2/3	entre 1,5 i 4,5 ¹
D Down (d)	-1/3	entre 5 i 8,5 ¹
C Charm / Centre (c)	+2/3	entre 1.000 i 1.400
S Strange / Sideways (s)	-1/3	entre 80 i 155
T / Truth (t)	+2/3	174.300 ± 5.100
B / Bottom / Beauty (b)	-1/3	entre 4.000 i 4.500

Fermions composts

Les partícules compostes, com els àtoms i les molècules, poden ser fermions o bosons. Els fermions estan formats per un nombre senar de fermions, mentre que els bosons en tenen un nombre parell. El ⁶liti, per exemple, és un fermió compost, mentre que el ⁷liti és un bosó compost. A temperatures ordinàries, els dos isòtops tenen les mateixes propietats, però a temperatures molt baixes apareixen propietats quàntiques completament diferents. Quan el ⁷liti es refreda, es converteix en un condensat de Bose-Einstein. Quan un gas de fermions, per exemple un de format per ⁶liti, es refreda per sota de la temperatura de Fermi, apareix un gas de Fermi degenerat, en el qual els àtoms s'agrupen en parells de Cooper.

Els fermions poden mostrar un comportament bosònic quan s'uneixen de manera fluixa en parelles. Aquest és l'origen de la superconductivitat i la superfluïdesa de l'heli-3: en els materials superconductors, els electrons interaccionen mitjançant l'intercanvi de fonons, formant parells de Cooper, mentre que a l'heli-3, els parells de Cooper es formen mitjançant fluctuacions de spin.

Les quasipartícules de l'efecte Hall quàntic fraccionat també es coneixen com a fermions compostos ; consisteixen en electrons amb un nombre parell de vòrtexs quantificats units.

Bibliofgrafia

• Barnett, R. Michael; Muehry, Henry; Quinn, Helen R. The Charm of Strange Quarks Mysteries and Revolutions of Particle Physics (en anglès). Springer, 2000. DOI 10.1007/978-0-387-21534-1. ISBN 978-1-4684-9510-2. 

Viccionari