Fermionid: elementaarosakeste määratlus, tüübid ja omadused

Fermionid: selge ülevaade elementaarosakeste määratlusest, tüüpidest (kvarkid, leptonid), omadustest, spinist ja Fermi‑Diraci statistikast. Leia põhjalik juhend.

Fermion on elementaarosakeste kategooria. Nad on väga väikesed ja väga kerged. Fermioone võib pidada aine ehitusplokkideks, sest aatomid koosnevad fermioonidest. Paul Dirac nimetas neid fermionideks kuulsa teadlase Enrico Fermi auks.

Elektron (laetud osake) on fermioon, kuid fotoon (elektromagnetilise kiirguse osake) ei ole. Fermioonide spinniarvud on 1/2, 3/2, 5/2 jne. Kuna nende spinn ei ole täisarv, järgivad nad Pauli välistamispõhimõtet: kaks fermiooni ei saa jagada kvantolekut (mis hõlmab asendit ruumis), kui neil on samad kvantarvud, näiteks spinn. Teisisõnu, fermionid võivad omavahel kokku põrkuda. Teises elementaarosakeste klassis, mida nimetatakse bosoonideks, sellist käitumist ei ole: samas kohas võib korraga olla mitu bosooni, näiteks footonid. Fermioonide liikumine järgib Fermi-Diraci statistikat.

Enamiku tuntud fermionide spinn on 1/2. Üks näide fermionitüübist, mille spinn on 1/2, on elektron. Elektron kuulub fermionide rühma, mida nimetatakse leptoniteks.

Fundamentaalsed fermionid (fermionid, mis ei koosne millestki muust) on kas kvarkid või leptonid. On olemas 6 erinevat tüüpi kvarki (mida nimetatakse "maitseks") ja 6 erinevat tüüpi leptonit. Need on nende nimed:

• Kvargid - üles, alla, võlu, kummaline, ülalt, alt
• Leptonid - elektron, müon, tau, elektron neutriino, müon neutriino, tau neutriino

Iga fermioniga on seotud ka üks antiriik, nii et kokku on 24 erinevat fundamentaalset fermioni. Antiosake on sarnane algse osakesega, kuid vastupidise elektrilaenguga. "Up", "charm" ja "top" kvarkide elektrilaeng on +2/3. Nende anti-osakeste laeng on -2/3 (anti-up, anti-charm, anti-top). Ülejäänud kolm kvarki (down, strange ja bottom) on laenguga -1/3 ja nende antiosakeste laeng on +1/3. Elektron, müon ja tau leptonid on kõik laenguga -1 ja nende anti-osakeste (antielektron ehk "positron", anti-müon, anti-tau) laenguga +1. Kõik neutriinod ja antineutriinod on laenguga 0. Peamine erinevus sama laenguga kvarkide või leptonite vahel on nende mass.

Iga fermioni supersümmeetrilist vastet nimetatakse "sfermioniks".

Täiendavad selgitused ja tähtsus

Fermionid määratletakse peamiselt kahe ühise omaduse kaudu: neil on pooltäisarvuline spinn (nt 1/2) ja nad järgivad Pauli välistamispõhimõtet. See välistamispõhimõte seletab, miks elektronid täidavad energiatasemeid aatomites järjestikku — see loob keemilised omadused ja perioodilisuse, mis määravad elementide käitumise. Samuti tekitab Pauli printsiip tiheda fermioonide kogu tõttu degeneratsioonirõhu: see on oluline valgete kääbuste ja neutrontähtede sisemise tasakaalu seletamisel.

Komposiit- ja fundamentaalsed fermionid

Kuigi paljud fermionid on fundamentaalsed (kvarkid ja leptonid), võivad fermionid olla ka koosseisulised. Näiteks koosnevad prootonid ja neutronid kvarkidest (kolm kvarki) ning nad käituvad terviklikult fermionidena, sest kolme kvargi kokkuvõttes jääb spinn pooltäisarvuks. Vastupidi, kvarkide ja antikvargi paaridest moodustuvad mesonid on sageli bosoonid (täisarvuline spinn).

Fermi-Diraci statistika ja makroskoopilised efektid

Fermioonide jaotumine energia järgi kirjeldatakse Fermi-Diraci statistikaga. See annab võtmepildi sellistest nähtustest nagu metallide elektrijuhtivus (vabade elektronide Fermi-pind ja Fermi-energia) ning kvant-eenreed ainetes. Erinevalt bosonitest ei saa fermionid ühte ja samasse kvantolekusse kokku hajuda, mistõttu tekivad ainest sõltuvad käitumised, nagu elektronide täidisüsteemid ja magnetilised omadused.

Generatsioonid ja maitsed

• Esimene generatsioon: üles (up), alla (down), elektron, elektronneutriino — moodustavad tavapärase aine (nt aatomid).
• Teine generatsioon: võlu (charm), kummaline (strange), müon, müonneutriino — raskemad versioonid, ilmnevad lühiajaliselt kõrgete energiate tingimustes.
• Kolmas generatsioon: ülalt (top), alt (bottom), tau, tauneutriino — veelgi raskemad ja ebastabiilsemad osakesed.

Antiosakesed, laengud ja massid

Nagu artiklis mainitud, on igal fermionil vastav antiosake. Antiosakeste olemasolu ja nende elektrilaengute vastandlikkus on oluline osakestefüüsika eksperimentides ja kosmoloogias (nt ainet ja antihulka tekke uurimisel). Masside erinevus sama laenguga fermionide vahel määrab nende stabiilsuse ja osakeste sageduse looduses — näiteks elektron on väga kerge võrreldes müoni või tauga, mistõttu elektrone leiame igapäevaaines, samas kui raskemad leptonid tekivad vaid kõrgeenergeetilistes protsessides.

Supersümmeetria (sfermionid)

Supersümmeetria hüpoteesis on igal fermionil bosoniline partner ja vastupidi. Nagu mainitud, nimetatakse fermionide supersümmeetrilisi partnereid sageli sfermionideks. Sellised partnerid pole veel eksperimentaalselt leidnud; nende olemasolu oleks suur lisa Standardmudelile ja aitaks lahendada mitmeid teoreetilisi probleeme (nt kvarke massa ja pimedat ainet puudutavad küsimused).

Kokkuvõte

Fermionid moodustavad aine aluse: nende pooltäisarvuline spinn ja Pauli välistamispõhimõte annavad ainest nähtavad makroskopsed omadused nagu keemia, tahkete kehade omadused ja tähe-evolutsiooni teatud etapid. Mõistmine, kuidas kvarkid ja leptonid omavahel suhtlevad, on keskne osa tänapäevasele osakestefüüsikale ja kosmoloogiale.

Küsimused ja vastused

K: Mis on fermion?

K: Kes nimetas neid fermionideks?

K: Kas elektron on fermion?

K: Kas kaks fermiooni võivad jagada sama kvantolekut?

K: Mitu erinevat fundamentaalset fermiooni on olemas?

K: Mis vahe on sama laenguga kvarkide või leptonite vahel?

Otsing