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 , 3/2, спин [ противоречивы ] и т.д. Эти частицы неповинующийся принцип запрета 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 , подчиняющихся 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. [1]
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 . [2]
Элементарные фермионы [ править ]
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:
- Фермионы Вейля (безмассовые),
- Фермионы Дирака (массивные) и
- Фермионы Майораны (каждая своя античастица).
Считается, что большинство фермионов Стандартной модели являются фермионами Дирака, хотя в настоящее время неизвестно, являются ли нейтрино фермионами Дирака или Майорана (или и тем, и другим). Фермионы Дирака можно рассматривать как комбинацию двух фермионов Вейля. [3] : 106 В июле 2015 года фермионы Вейля были экспериментально реализованы в полуметаллах Вейля .
Составные фермионы [ править ]
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.
Skyrmions [ править ]
Стандартная модель в физике элементарных частиц |
---|
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. [ необходима цитата ]
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 .
См. Также [ править ]
- Аньон , 2D квазичастицы
- Хиральность (физика) , левша и правша
- Фермионный конденсат
- Полуметалл Вейля
- Фермионное поле
- Идентичные частицы
- Фермион Когута – Сасскинда , тип решетчатых фермионов.
- Майорана фермион , у каждой своя античастица
- Парастатистика
- Бозон
Заметки [ править ]
- ↑ Вайнер, Ричард М. (4 марта 2013 г.). «Связь спина, статистики и квантовых чисел и суперсимметрия». Physical Review D . 87 (5): 055003–05. arXiv : 1302.0969 . Bibcode : 2013PhRvD..87e5003W . DOI : 10.1103 / physrevd.87.055003 . ISSN 1550-7998 . S2CID 118571314 .
- ↑ Заметки о лекции Дирака « Развитие теории атома» в Le Palais de la Découverte, 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. Морий; CS Lim; С. Н. Мукерджи (1 января 2004 г.). Физика стандартной модели и не только . World Scientific . ISBN 978-981-279-560-1.