Fermión

Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.

Distinción entre Fermiones y bosones

Unfermiónes uno de los dos tipos básicos departículas elementalesque existen en la naturaleza (el otro tipo es elbosón). Los fermiones se caracterizan por tenerespínsemientero (1⁄2, 3⁄2,...) y, por tanto, estar sujetos alprincipio de exclusión de Pauli.

Enfísica de partículas,un fermión es una partícula que sigue laestadística de Fermi-Dirac.Generalmente, tiene un espín semientero:espín1/2,espín3/2,etc. Los fermiones incluyen todos loscuarksyleptones,así como todas laspartículas compuestasformadas por un númeroimparde ellas, como todos losbarionesy muchosátomosynúcleos.Los fermiones difieren de losbosones,que obedecen a laestadística de Bose-Einstein.

En elmodelo estándar de físicaexisten dos tipos de fermiones fundamentales, loscuarksy losleptones.Los fermiones se consideran los constituyentes básicos de la materia, que interactúan entre ellos víabosonesdegauge.El tipo de partícula se llama así en honor al científico italianoEnrico Fermi.

Los fermiones forman una de las dos clases fundamentales departícula subatómica,la otra es elbosón.Todas las partículas subatómicas deben ser una u otra. Una partícula compuesta (hadrón) puede pertenecer a una u otra clase dependiendo de su composición.

Algunos fermiones sonpartículas elementales(como elelectrón), y otros sonpartículas compuestas(como elprotón). Por ejemplo, según elteorema del espín-estadísticode larelativistateoría cuántica de campos,las partículas conespín enterosonbosones.En cambio, las partículas conespín medio enteroson fermiones.

Además de la característica de espín, los fermiones tienen otra propiedad específica: poseennúmero cuánticoconservado de bariones o leptones. Por lo tanto, lo que se suele denominar relación espín-estadística es, en realidad, una relación espín- número cuántico.​

Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, solo un fermión puede ocupar un determinadoestado cuánticoen un momento dado. Supongamos que varios fermiones tienen la misma distribución de probabilidad espacial. Entonces, al menos una propiedad de cada fermión, como su espín, debe ser diferente. Los fermiones suelen estar asociados a lamateria,mientras que los bosones son generalmente partículasportadoras de fuerza.Sin embargo, en el estado actual de la física de partículas, la distinción entre ambos conceptos no está clara. Los fermiones deinteracción débiltambién pueden mostrar un comportamiento bosónico en condiciones extremas. Por ejemplo, a bajas temperaturas, los fermiones muestransuperfluidezpara las partículas sin carga ysuperconductividadpara las partículas con carga.

Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones, son los componentes clave de lamateria cotidiana.

El físico teórico inglésPaul Diracacuñó el nombre de fermión a partir del apellido del físico italianoEnrico Fermi.​.

Descripción cuántica

En la descripción de lamecánica cuánticano relativista lasfunciones de ondade los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen laestadística de Fermi-Diracverificando, por tanto, elprincipio de exclusión de Pauli.Esta propiedad implica que dos fermiones no pueden ocupar el mismoestado cuánticoal mismo tiempo. Todas las partículas elementales "observadas" son fermiones o bosones. Una partícula compuesta, formada por varias elementales, puede ser también un fermión o un bosón dependiendo solo del número de fermiones que contenga:

• Las partículas compuestas que contienen un número par de fermiones llegan a comportarse como bosones (para valores de la energía tales que no se rompan las ligaduras entre ellas). Este es el caso, por ejemplo, de losmesoneso delnúcleodecarbono-12.
• Las partículas compuestas que contienen un número impar de fermiones se comportan en sí mismas como fermiones. Este es el caso, por ejemplo, de losbarioneso delnúcleodecarbono-13.

Por el contrario el número de bosones que contenga la partícula es irrelevante de cara a determinar su posible naturaleza fermiónica o bosónica.

Por supuesto, el comportamiento fermiónico o bosónico de las partículas compuestas solo se aprecia si observamos el sistema a gran distancia en comparación con la escala de la partícula. Si observamos a escalas similares entonces la contribución de la estructura espacial empieza a ser importante. Por ejemplo, dos átomos dehelio-4a pesar de ser bosones no pueden ocupar el mismo espacio si este es comparable al tamaño de la estructura de la partícula en cuestión. Así, el helio líquido tiene una densidad finita comparable a la densidad de la materialíquidaordinaria.

Fermiones elementales

Los fermiones elementales se dividen en dos grupos:

• Quarks,que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar lainteracción nuclear fuerte.
• Leptones,entre los que se encuentran los electrones y otras que interactúan básicamente mediante lainteracción electrodébil.

La materia ordinaria está básicamente formada por fermiones y a ellos debe prácticamente toda sumasa.Los átomos están compuestos por quarks que a su vez forman losprotonesy losneutronesdel núcleo atómico y también porleptones,loselectrones.Elprincipio de exclusión de Pauliobedecido por los fermiones es el responsable de la "impenetrabilidad" de la materia ordinaria, que hace que esta sea una substancia extensa. El principio de Pauli también es responsable de la estabilidad de losorbitales atómicoshaciendo que la complejidad química sea posible. También es el responsable de la presión ejercida por lamateria degenerada.

Los fermiones elementales también pueden ser clasificados en:

• Fermiones de Majorana,cuando son estados propios del operador deconjugación de cargay por tanto dos fermiones de ese tipo pueden aniquilarse mutuamente.
• Fermiones de Dirac,cuando no son estados propios del operador de conjugación de carga, y por tanto, tiene una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.

Fermiones supersimétricos

En el modelo ampliado desupersimetríade partículas elementales, existen más fermiones elementales. Para cada bosón existe un fermión comopartícula compañera supersimétrica,un llamadobosino,de modo que el espín difiere en ±1/2 en cada caso. Los supercompañeros de los bosones se identifican con la terminación-inoen el nombre, así por ejemplo el fermión correspondiente al (hipotético)gravitónse llama entoncesgravitino.

Estrictamente hablando, en primer lugar, en la imagen de la interacción, se asigna un campo fermiónico a cada campo bosónico como supercompañero. En la imagen de la masa, las partículas observables o predichas resultan respectivamente comocombinación linealde estos campos. En este caso, el número y la proporción relativa de los componentes que contribuyen a las mezclas en el lado de las superpartes fermiónicas no tienen que corresponder a las proporciones en el lado bosónico original. Sin embargo, en el caso más simple (con poca o ninguna mezcla), un fermión o bosino particular (como el gravitino mencionado anteriormente) puede ser asignado a un bosón.

Hasta ahora, la existencia de ninguna de las partículas asociadas supersimétricas postuladas ha sido probada experimentalmente. Por lo tanto, en caso de existir deberían tener una masa tan elevada que no surgirían en condiciones normales. Se espera que la nueva generación deaceleradores de partículaspueda detectar al menos algunos de estos fermiones directa o indirectamente. Con lapartícula supersimétrica más ligera(LSPLightest Supersymmetric Particle), se espera encontrar un candidato a lamateria oscuradel universo.

Véase también

• Bosón
• Partículas idénticas
• Física de partículas
• Estadística de Fermi-Dirac

Enlaces externos

• Wikcionariotiene definiciones y otra información sobrefermión.

• Datos:Q44363
• Multimedia:Fermions/Q44363