Definizione di fermione in fisica

Nella fisica delle particelle, a fermione è un tipo di particella che obbedisce alle regole della statistica di Fermi-Dirac, vale a dire il Principio di esclusione di Pauli. Questi fermioni hanno anche a spin quantico con contiene un valore di mezzo intero, ad esempio 1/2, -1/2, -3/2 e così via. (In confronto, ci sono altri tipi di particelle, chiamate bosoni, che hanno una rotazione intera, come 0, 1, -1, -2, 2, ecc.)

I fermioni sono talvolta chiamati particelle di materia, perché sono le particelle che costituiscono la maggior parte di ciò che pensiamo come materia fisica nel nostro mondo, inclusi protoni, neutroni ed elettroni.

I fermioni furono predetti per la prima volta nel 1925 dal fisico Wolfgang Pauli, che stava cercando di capire come spiegare la struttura atomica proposta nel 1922 da Niels Bohr. Bohr aveva usato prove sperimentali per costruire un modello atomico che conteneva gusci di elettroni, creando orbite stabili affinché gli elettroni si muovessero attorno al nucleo atomico. Sebbene ciò corrispondesse bene alle prove, non vi era alcun motivo particolare per cui questa struttura sarebbe stata stabile e questa è la spiegazione che Pauli stava cercando di raggiungere. Si rese conto che se si assegnassero numeri quantici (in seguito nominati

Nel 1926, Enrico Fermi e Paul Dirac tentarono indipendentemente di comprendere altri aspetti di comportamento elettrone apparentemente contraddittorio e, nel farlo, ha stabilito un modo statistico più completo di trattare con gli elettroni. Sebbene Fermi abbia sviluppato il sistema per primo, erano abbastanza vicini ed entrambi hanno fatto abbastanza lavoro che i posteri hanno soprannominato il loro metodo statistico Statistiche di Fermi-Dirac, sebbene le particelle stesse prendessero il nome da Fermi lui stesso.

Il fatto che i fermioni non possano collassare tutti nello stesso stato - di nuovo, questo è il significato ultimo del principio di esclusione di Pauli - è molto importante. I fermioni all'interno del sole (e tutte le altre stelle) stanno collassando insieme sotto la forza di gravità intensa, ma non possono collassare completamente a causa del principio di esclusione di Pauli. Di conseguenza, si genera una pressione che spinge contro il collasso gravitazionale della materia della stella. È questa pressione che genera il calore solare che alimenta non solo il nostro pianeta, ma tanta energia nel resto del nostro universo... compresa la formazione stessa di elementi pesanti, come descritto da nucleosintesi stellare.

Ci sono un totale di 12 fermioni fondamentali - fermioni che non sono costituiti da particelle più piccole - che sono stati identificati sperimentalmente. Si dividono in due categorie:

• I quark - I quark sono le particelle che compongono gli adroni, come protoni e neutroni. Esistono 6 tipi distinti di quark:
  • • Up Quark
  • Charm Quark
  • Top Quark
  • Down Quark
  • Strano quark
  • Bottom Quark
• leptoni - Esistono 6 tipi di leptoni:
  • • elettrone
  • elettrone neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Oltre a queste particelle, la teoria della supersimmetria prevede che ogni bosone avrebbe una controparte fermionica finora non rilevata. Dato che ci sono da 4 a 6 bosoni fondamentali, ciò suggerirebbe che - se la supersimmetria è vera - ce ne sono altri da 4 a 6 fermioni fondamentali che non sono ancora stati rilevati, presumibilmente perché sono altamente instabili e si sono decomposti in altri le forme.

Oltre ai fermioni fondamentali, è possibile creare un'altra classe di fermioni combinando insieme i fermioni (possibilmente insieme ai bosoni) per ottenere una particella risultante con una rotazione di mezzo intero. Gli spin quantici si sommano, quindi alcune matematiche di base mostrano che qualsiasi particella che contiene uno strano il numero di fermioni finirà con una rotazione di mezzo intero e, pertanto, sarà un fermione si. Alcuni esempi includono:

• barioni - Queste sono particelle, come protoni e neutroni, composte da tre quark uniti insieme. Poiché ogni quark ha una rotazione di mezzo intero, il barione risultante avrà sempre una rotazione di mezzo intero, indipendentemente dai tre tipi di quark che si uniscono per formare.
• Elio-3 - Contiene 2 protoni e 1 neutrone nel nucleo, insieme a 2 elettroni che lo circondano. Poiché esiste un numero dispari di fermioni, la rotazione risultante è un valore di mezzo intero. Ciò significa che anche l'elio-3 è un fermione.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.