فرمیون ها

طبق تعریف، فرمیون‌ها ذراتی هستند که از آمار فرمی-دیراک تبعیت می‌کنند. ذراتی که بوسیلهٔ آمار فرمی-دیراک توصیف می‌شوند، از اصل طرد پاؤلی پیروی می‌کنند یعنی فرمیون‌ها منزوی هستند و هیچ دو فرمیونی نمی‌تواند در یک لحظهٔ معین، یک حالت کوانتومی را اشغال کنند. این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار می‌گیرند همدیگر را دفع می‌کنند و اگر ذره‌ای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می‌شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد. این امر، باعث سختی و استحکام حالت‌هایی می‌شود که شامل فرمیون هستند (هسته، اتمها، مولکولها و...)؛ بنابراین گاهی اوقات گفته می‌شود که فرمیون‌ها بخش اصلی ماده هستند، در حالی که بوزون‌ها ذراتی هستند که فعل و انفعالات را انتقال می‌دهند (حاملان نیرو) یا بخش اصلی تشعشعات هستند.

در دماهای پایین ،فرمیون‌ها در ذرات بدون بار ،ابرشارگی و در ذرات باردار ، ابررسانایی نشان می‌دهند. فرمیون‌ها ی مرکب مانند پروتون و نوترون سنگ بنای ماده معمولی هستند. میدان‌های کوانتومی فرمیون‌ها، که میدانهای فرمیونیک (fermionic fields) نامیده می‌شوند از روابط تبدیل متعارفی و استاندارد، پیروی می‌کنند.

اصل طرد پاولی درمورد فرمیون‌ها و استحکام ناشی از آن در ماده، منجر می‌شود به پایداری لایه‌های الکترون و ترکیب اتم‌ها، بنابراین ساخت ترکیبات شیمی ممکن می‌شود. همچنین دلیلی است برای فشار داخلی مادهٔ تبهگن که تا حد زیادی حالت تعادل کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی را برقرار می‌کند.

تمام ذرات بنیادی دارای یک خصوصیت کوانتوم مکانیکی اند که می‌توان تقریباً آن را چرخش فرض کرد. فرمیون‌ها (الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها) دارای چرخش‌هایی هستند که مضارب نیمه صحیح اند؛ بدین معنا که لازم است دو دور کامل بچرخند تا به وضعیت ابتدایی خویش بازگردند. بوزون‌ها (مثلاً فوتون‌ها) دارای چرخش‌هایی با مضرب صحیح هستند.

علاوه بر این ویژگی اسپین، فرمیون‌ها یک ویژگی خاص دیگر دارند: اعداد کوانتومی باریونی یا لپتونی پایسته دارند؛ بنابراین آنچه از آن به رابطه اسپین-آمار یاد می‌شود ، در واقع یک رابطه اسپین- آمار عدد کوانتومی است.

در سیستم‌های بزرگ، تفاوت بین آمار بوزونی و فرمیونی تنها در چگالی‌های بالا وقتی در تابع‌های موج، همپوشانی وجود داشته باشد، ظاهر می‌شود. در چگالی‌های پایین، هر دو آمار با تقریب خوبی توسط قاعدهٔ آماری ماکسول – بولتزمن جواب می‌دهند که توسط مکانیک کلاسیک بیان می‌شود.

فرمیون‌ها شامل دو بخش اصلی شناخته شده هستند:

• کوارک ها

یک ذره بنیادی و جزء اساسی تشکیل دهنده ماده می‌باشد. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام هادرون (hadron) را به وجود آورند، پروتون و نوترون یکی از معروف‌ترین آن‌ها هستند. کوارک‌ها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آن‌ها را فقط می‌توان درون هادرون‌ها پیدا کرد. به همین دلیل بیشتر آنچه که ما دربارهٔ کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردون‌ها به دست آمده‌است.

شش نوع مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به طعم (flavor) شهرت دارند:

• بالا (up)
• پایین (down)
• افسون (charm)
• شگفت یا عجیب (strange)
• راس یا سر (top)
• قاعده یا ته (bottom)

بالا و پایین دارای کمترین وزن در بین کوارک‌ها می‌باشند. کوارک‌های سنگین تر در طول یک فرایند واپاشی به سرعت به کوارک‌های بالا (up) و پایین (down) تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت وزن بیشتر به حالت وزن کمتر،به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموماً پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در عالم می‌باشند.

در حالی که کوارک‌های strange، charm، top، bottom فقط در تصادم‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند (مثل تابش‌های کیهانی و شتاب دهنده‌های ذرات). کوارک‌ها خواص ذاتی گوناگونی دارند که شامل بار الکتریکی، شارژ رنگ، اسپین و جرم می‌باشد. برای هر یک از طعم‌های کوارک یک پادذره متناظر وجود دارد که به پادکوارک نیز شناخته می‌شوند و فقط در برخی خصوصیات دارای علامت مخالف می‌باشد. کوارک‌ها تنها ذرات شناخته شده می‌باشند که بار الکتریکی آنها کسری از بار پایه می‌باشد.

 

• لپتون ها

ذره‌ایست با اسپین ۱/۲ (فرمیون) که نیروی هسته‌ای قوی روی آن تأثیر ندارد. بطور کلی شش لپتون وجود دارد. سه تا از آن‌ها دارای بار الکتریکی بوده و سه تای دیگر هم فاقد بار الکتریکی هستند. لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند، یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند. معروفترین لپتون الکترون (ē) است با یک بار منفی. دو لپتون باردار دیگر میون (muon μ)و تاو (τ) هستند، که از نظر بار الکتریکی مثل الکترون بوده ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند. لپتون‌های بدون بار سه نوع نوترینو هستند که عبارت‌اند از: نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو. نوترینوها فاقد بار الکتریکی بوده و دارای جرم بسیار ناچیزی هستند به همین دلیل آشکار سازی  آن‌ها بسیار مشکل است.

لپتون‌ها شامل این ذرات هستند:

• نوترینو تاو
• نوترینو الکترون
• نوترینو میون
• لپتون تاو
• میون
• الکترون