Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.Distinción entre Fermiones y bosones
Unfermión es uno de los dos tipos básicos departículas elementales que existen en la naturaleza (el otro tipo es elbosón). Los fermiones se caracterizan por tenerespín semientero (1⁄2, 3⁄2, ...) y, por tanto, estar sujetos alprincipio de exclusión de Pauli.
En elmodelo estándar de física existen dos tipos de fermiones fundamentales, loscuarks y losleptones. Los fermiones se consideran los constituyentes básicos de la materia, que interactúan entre ellos víabosones degauge. Este 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.
Además de la característica de espín, los fermiones tienen otra propiedad específica: poseennúmero cuántico conservado de bariones o leptones. Por lo tanto, lo que se suele denominar relación espín-estadística es, en realidad, una relación espín-número cuántico.[1]
Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, solo un fermión puede ocupar un determinadoestado cuántico en 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 débil también pueden mostrar un comportamiento bosónico en condiciones extremas. Por ejemplo, a bajas temperaturas, los fermiones muestransuperfluidez para las partículas sin carga ysuperconductividad para las partículas con carga.
Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones, son los componentes clave de lamateria cotidiana.
El físico teórico inglésPaul Dirac acuñó el nombre de fermión a partir del apellido del físico italianoEnrico Fermi.[2]
El desarrollo del concepto de fermión refleja la interacción de los avances teóricos en mecánica cuántica y teoría de campos, culminando en una comprensión robusta de la materia y sus constituyentes fundamentales. Los fermiones desempeñan un papel crucial en el universo, formando los bloques de construcción de la materia e influyendo en muchos fenómenos físicos.[3]
1926:Wolfgang Pauli introdujo elprincipio de exclusión, afirmando que no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico dos fermiones idénticos. Este fue un momento crucial en la definición de fermiones.
1927: El término "fermión" fue acuñado en honor al físicoEnrico Fermi, en reconocimiento a sus contribuciones al tratamiento estadístico de partículas que obedecen el principio de exclusión de Pauli.
Desarrollo de la Estadística de Fermi-Dirac
1928: Fermi y Dirac formularon de manera independiente lo que ahora se conoce comoestadística de Fermi-Dirac, que rige la distribución de partículas como electrones, protones y neutrones que siguen el principio de exclusión.
Teoría Cuántica de Campos
Década de 1940: El desarrollo de la teoría cuántica de campos (QFT) consolidó aún más la comprensión de los fermiones como partículas fundamentales. Laecuación de Dirac, formulada por Paul Dirac en 1928, predijo la existencia de antimateria y describió partículas de espín 1/2, que ahora se clasifican como fermiones.[5]
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Década de 1970: Aparición delModelo Estándar, que proporciona un marco integral que clasifica a los fermiones en dos grupos: quarks y leptones. Los quarks se combinan para formar protones y neutrones, mientras que losleptones incluyen partículas como electrones y neutrinos.[6]
Desarrollos Recientes
Década del 2000 y posteriores: La investigación continúa sobre el comportamiento fermiónico, particularmente en la física de la materia condensada y el estudio de aislantes topológicos, superconductores y el mecanismo de Higgs.
En la descripción de lamecánica cuántica no relativista lasfunciones de onda de los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen laestadística de Fermi-Dirac verificando, por tanto, elprincipio de exclusión de Pauli. Esta propiedad implica que dos fermiones no pueden ocupar el mismoestado cuántico al 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 losmesones o delnúcleo decarbono-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 losbariones o delnúcleo decarbono-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-4 a 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 materialíquida ordinaria.
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 losprotones y losneutrones del núcleo atómico y también porleptones, loselectrones. Elprincipio de exclusión de Pauli obedecido 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 atómicos haciendo 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 Dirac, cuando no son estados propios del operador de conjugación de carga, y por tanto, tienen una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.
En el modelo ampliado desupersimetría de 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-ino en el nombre, así por ejemplo el fermión correspondiente al (hipotético)gravitón se 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 lineal de 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 partículas pueda 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 oscura del universo.
↑Notas de la conferencia de DiracDevelopments in Atomic Theory en Le Palais de la Découverte, 6 de diciembre de 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Véase la nota 64 de la página 331 de "The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom" de Graham Farmelo
↑Fermi, E. Nuclear Physics: A Course Given by Enrico Fermi at the University of Chicago (1950) University of Chicago Press 184 pag. ISBN: 978-0226247760
↑Dirac, P. A. M.The Principles of Quantum Mechanics (1930) Oxford University Press 343 pag. ISBN: 978-0198527286
↑Weinberg, S. The Quantum Theory of Fields, Volume 1: Foundations (1995) Cambridge University Press 528 pag. ISBN: 978-0521550023
↑Griffiths, D. J. Introduction to Quantum Mechanics (1995) Prentice Hall, 503 pag. ISBN: 978-0131244051
