Definizione di fermione di 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.)

Cosa rende i fermioni così speciali

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 spin quantico) a questi elettroni, allora sembrava esserci una sorta di principio che significava che nessuno degli elettroni poteva trovarsi esattamente nello stesso stato. Questa regola divenne nota come principio di esclusione di Pauli.

Nel 1926, Enrico Fermi e Paul Dirac tentarono indipendentemente di comprendere altri aspetti del comportamento apparentemente contraddittorio degli elettroni e, nel fare ciò, stabilirono un modo statistico più completo di trattare gli elettroni. Sebbene Fermi sviluppò prima il sistema, erano abbastanza vicini ed entrambi fecero abbastanza lavoro che i posteri hanno soprannominato il loro metodo statistico Statistiche Fermi-Dirac, sebbene le particelle stesse prendessero il nome dallo stesso Fermi.

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 dalla nucleosintesi stellare.

Fermioni fondamentali

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
  • Neutrino elettronico
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

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

Fermioni compositi

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 alcuni matematici di base mostrano che qualsiasi particella che contiene un numero dispari di fermioni finirà con una rotazione di mezzo intero e, quindi, sarà un fermione stesso. 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.