Fermion je kategorie elementárních částic, které mají poločíselný spin (1/2, 3/2, 5/2, ...). Fermiony tvoří většinu hmoty kolem nás: atomy se skládají z fermionů (elektrony obklopují jádra složená z kvarků). Název „fermion“ pochází od jména Enrica Fermiho a termín zavedl Paul Dirac.

Hlavní vlastnosti

  • Spin a statistika: Fermiony mají poločíselný spin a řídí se Fermiho–Diracovou statistikou. To znamená mimo jiné, že při nízkých teplotách zaplňují kvantové stavy až po tzv. Fermiovu energii.
  • Pauliho vylučovací princip: Jak uvádí Pauliho vylučovací princip, žádné dva fermiony nemohou sdílet úplně stejný kvantový stav (včetně např. spinu a polohy). Tento princip vysvětluje strukturu elektronových hladin v atomech, periodickou soustavu prvků a degeneraci elektronů v bílých trpaslících nebo neutronových hvězdách.
  • Interakce: Některé fermiony (kvarky) podléhají silné interakci a nesetkávají se volně kvůli barvové konfinaci; jiné (leptony) silnou interakci necítí. Všechny mohou reagovat elektromagneticky a slabě, pokud mají příslušné kvantové číslo.
  • Antičástice: Každý fermion má svou antičástici se stejnou hmotností, ale opačným elektrickým nábojem (pokud je nenulový) nebo jinými opačnými vnitřními kvantovými čísly.

Fermiony vs. bosony

Fermiony se liší od druhé základní třídy částic — bosonů. Zatímco fermiony nemohou sdílet stejný kvantový stav kvůli Pauliho principu, bosony (např. foton) se mohou hromadit ve stejném stavu (je to základem např. laseru nebo Bose–Einsteinova kondenzátu). To vede k velmi odlišným makroskopickým vlastnostem systémů složených z fermionů nebo bosonů.

Typy fermionů: kvarky a leptony

Základní (elementární) fermiony dělíme na dvě skupiny: kvarky a leptony. Každá skupina má šest "flavorů" uspořádaných do tří generací:

  • Kvarky – up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t), bottom (b).
  • Leptony – elektron (e), mion (μ), tauon (τ), elektronové neutrino (νe), mionové neutrino (νμ), tauonové neutrino (ντ).

V praxi se někdy používají české názvy jako „nahoru/dolů“ pro up/down nebo „podivný“ pro strange, ale často se setkáte přímo s mezinárodními označeními (u,d,s,c,t,b; e,μ,τ,νe,νμ,ντ).

Elektrické náboje a antičástice

  • Kvarky up, charm, top mají elektrický náboj +2/3 e; jejich antičástice mají -2/3 e. Kvarky down, strange, bottom mají náboj -1/3 e; jejich antičástice mají +1/3 e.
  • Leptony elektron, mion, tau mají náboj -1 e; jejich antičástice (např. pozitron) mají +1 e.
  • Všechna neutrina a antineutrina mají elektrický náboj 0. U neutrin zůstává otevřená otázka, zda jsou Diracovy nebo Majoranovy částice (tj. zda se liší od svých antičástic).

Celkem tedy existuje 12 základních fermionů a 12 antičástic — dohromady 24 různých elementárních fermionů podle Standardního modelu. Hlavním rozdílem mezi dvěma fermiony se stejným nábojem bývá jejich hmotnost (a další kvantová čísla).

Složení hadronů a spin složených částic

Kvarky se kvůli silné interakci spojují do složených částic nazývaných hadrony. Mezi ně patří:

  • Baryony (tvořené třemi kvarky) – většina baryonů jsou fermiony (např. proton a neutron mají spin 1/2).
  • Mezony (kvark + antikvark) – obvykle jsou to bosony (celkový spin může být celočíselný).

Tedy i složená částice může být fermionem nebo bosonem v závislosti na součtu spinů svých složek.

Praktické důsledky

  • Pauliho princip určuje chemické vlastnosti prvků a stabilitu atomových obalů.
  • Degenerovaný fermionový plyn vytváří tlak nezávislý na teplotě (degenerovaný tlak), který brání gravitačnímu kolapsu v bílých trpaslících (elektronová degenerace) nebo neutronových hvězdách (neutronová degenerace).
  • Fermiho–Diracova statistika popisuje rozložení částic mezi energetické stavy při dané teplotě a chemickém potenciálu; je základem fyziky pevných látek a mnoha oblastí kvantové statistiky.

Další poznámky

Supersymetrický model předpovídá pro každý fermion bosonový superpartner nazývaný „sfermion“ (např. selektron pro elektron). Takové částice dosud nebyly experimentálně pozorovány.

Shrnutí: Fermiony jsou částice s poločíselným spinem, řídí se Fermiho–Diracovou statistikou a díky Pauliho vylučovacímu principu tvoří základ hmoty a strukturu atomů. Základními fermiony Standardního modelu jsou šest kvarků a šest leptonů spolu s jejich antičásticemi.