فرمیون یک ذره بنیادی با اسپین نیمه صحیح است.
و فرمیون این یک نوع ذره بنیادی با اسپین نیمه صحیح است، مانند کوارک ها و لپتون ها. الکترون، پروتون و نوترون نیز فرمیون هستند و آن‌طور که ما می‌شناسیم ماده را تشکیل می‌دهند، زیرا آنها اجزای اصلی اتم‌ها هستند.
خواص اساسی
آمار فرمی دیراک
یک چارچوب نظری که در مکانیک کوانتومی برای توصیف رفتار ذرات یکسان و غیرقابل تشخیص، معروف به فرمیون، استفاده می‌شود. این آمار توسط انریکو فرمی و پل دیراک در دهه 1920 عمدتاً برای ذراتی که دارای اسپین نیمه صحیح هستند مانند الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها استفاده می شود.
پائولی، اصل طرد
پیامد مستقیم آمار فرمی دیراک. بیان می کند که دو فرمیون یکسان نمی توانند به طور همزمان یک حالت کوانتومی را اشغال کنند. به عبارت دیگر، نمی توان دو فرمیون در یک مکان با اسپین یکسان و اعداد کوانتومی یکسان وجود داشته باشد.
چرخش
یک ویژگی ذاتی ذرات زیراتمی که به تکانه زاویه ای ذاتی آنها مربوط می شود. آنهایی که دارای اسپین نیمه صحیح هستند، مانند فرمیونها، از آمار فرمی دیراک پیروی می کنند، در حالی که آنهایی که دارای اسپین عدد صحیح هستند، مانند بوزون، از آمار بوز-اینشتین پیروی می کنند.
دومی پدیده را پیش بینی می کند میعانات بوز-انیشتین، فروپاشی مجموعه ای از بوزون های بسیار سرد شده. این دارایی نیم عدد صحیح spin به این معنی است که مقادیر آن 1/2، 3/2 و غیره است. این برخلاف بوزون ها است که دارای مقادیر اسپین عدد صحیح مانند 0، 1، 2 و غیره هستند.
ضد ذرات
همتای ذرات معمولی، اما با بار الکتریکی مخالف و خواص دیگر. مثلا او آنتی الکترون (همچنین به عنوان پوزیترون) پاد ذره الکترون است. طبق معادله معروف اینشتین، وقتی یک ذره با پاد ذره خود برخورد می کند، می تواند نابود شود و به انرژی تبدیل شود. E = mc2.
تقارن CPT
یک ویژگی اساسی که بیان می کند که قوانین فیزیک تحت ترکیب سه تبدیل ثابت هستند: معکوس بار (C)، معکوس برابری (P) و زمان معکوس (T). این تقارن بیانگر این است که قوانین فیزیک برای یک ذره و ضد ذره آن و همچنین برای فرآیندی که در زمان به جلو و معکوس آن اتفاق می افتد یکسان است.
تقارن CPT یکی از ایده های اساسی در نظریه میدان کوانتومی و به طور گسترده ای توسط آزمایش های مختلف تایید شده است.
اصل طرد پاولی و تقارن CPT برخی از خصوصیات اساسی فرمیون هستند.
لپتون ها
لپتون ها دسته ای از ذرات زیر اتمی هستند که از ذرات کوچکتر تشکیل نشده اند. در کنار کوارک ها، لپتون ها اجزای اصلی ماده هستند مدل استاندارد فیزیک ذرات. آنها فرمیون هستند و از آمار فرمی دیراک پیروی می کنند.
چهار نوع لپتون شناخته شده عبارتند از: الکترون، میون، تائون و نوترینوهای مرتبط با آنها: نوترینوی الکترونی، او میون نوترینو و نوترینوی تاونیک. هر یک دارای بار الکتریکی عنصری -1 (برای لپتون های باردار، یعنی الکترون، میون و تائون) یا 0 (برای نوترینوها) هستند.
الکترون
شناخته شده ترین لپتون بار الکتریکی آن ۱- است و معمولاً در اتم ها یافت می شود که به دور هسته اتم می چرخند.
نوترینو
ذرات خنثی و بسیار کم جرم که برهمکنش ضعیفی با ماده دارند. یکی از ویژگی های جالب نوترینوها توانایی آنها برای تغییر از یک نوع به نوع دیگر در حین سفر در فضا است، پدیده ای که به نام نوسان نوترینو.
میون
ذره ای شبیه به الکترون اما با جرم تقریباً 200 برابر بیشتر. این ماده در فرآیندهای فروپاشی ذرات پرجرمتر مانند پیون ها تشکیل می شود و به سرعت به الکترون ها و نوترینوها تجزیه می شود.
تاون
پرجرم ترین لپتون از این سه. جرم آن تقریباً است 3500 برابر بزرگتر نسبت به الکترون تائون نیز مانند میون ناپایدار است و به سرعت به ذرات سبکتر از جمله الکترون ها و نوترینوها تجزیه می شود.
نوترینوها در سال های اخیر موضوع تحقیقات شدیدی بوده اند. به عنوان مثال، آزمایشات نوترینوی یخی، مانند قالب یخ، از حجم زیادی از یخ قطب جنوب برای شناسایی نوترینوهای کیهانی پرانرژی استفاده می کند و اطلاعاتی در مورد پدیده های اخترفیزیکی شدید مانند ابرنواخترها و سیاهچاله ها ارائه می دهد. علاوه بر نوسان نوترینو در آزمایشاتی از جمله مشاهده و اندازه گیری شده است سوپر کامیوکنده، این ایده را تأیید می کند که این ذرات جرم دارند و می توانند با حرکت در فضا از نوعی به نوع دیگر تغییر کنند.
کوارک ها
کوارک ها ذرات بنیادی تشکیل دهنده هادرون از جمله پروتون و نوترون هستند که به نوبه خود هسته اتم را تشکیل می دهند. آنها فرمیون هستند و به عنوان اجزای اصلی ماده طبقه بندی می شوند.
شش نوع کوارک مختلف وجود دارد که هر کدام دارای یک بار رنگ که می تواند قرمز، سبز یا آبی یا آن باشد ضد رنگ مربوطه (ضد قرمز، ضد سبز یا ضد آبی). آنها تنها ذرات شناخته شده ای هستند که برهمکنش قوی را تجربه می کنند، یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت، با واسطه ذراتی به نام گلوئون ها، که حامل بار رنگی نیز هستند. به دلیل این فعل و انفعال، کوارک ها در هادرون ها محصور می شوند و هرگز به صورت مجزا مشاهده نمی شوند.
کوارک ها همچنین برهمکنش ضعیفی را تجربه می کنند که با واسطه ذرات حامل نیرو به نام بوزون های W و Z که مسئول برخی از انواع است. تجزیه رادیواکتیو، به عنوان پوسیدگی بتا.
در نهایت، کوارک‌ها برهمکنش گرانشی را تجربه می‌کنند که ضعیف‌ترین نیروی تمام برهم‌کنش‌های بنیادی است. با این حال، در حوزه ذرات زیراتمی و فعل و انفعالات هسته ای، گرانش به طور کلی در مقایسه با سایر نیروها ناچیز است و در بیشتر موارد می توان آن را نادیده گرفت.
فرمیون ها بسته به موقعیت می توانند به صورت ذره یا موج ظاهر شوند.
جنبه های کوانتومی و نظری
فرمیون ها تعدادی از پدیده های کوانتومی و نظری جذاب را نشان می دهند که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند.
دوگانگی موج – ذره
در موقعیت‌های خاص، فرمیونها می‌توانند هم ویژگی ذرات (موقعیت مشخص، تکانه) و هم خواص موج (تداخل، پراش) را از خود نشان دهند. این دوگانگی یکی از مشخصه های اساسی مکانیک کوانتومی است و در آزمایش هایی مانند شکاف دوگانه آشکار می شود.
اثر تونل زنی کوانتومی
فرمیون ها می توانند از موانع بالقوه ای عبور کنند که به طور کلاسیک غیرقابل نفوذ هستند. این اثر به دلیل ماهیت احتمالی توابع موج کوانتومی است و در زمینه های مختلفی مانند فیزیک نیمه هادی ها و الکترونیک کوانتومی کاربرد دارد.
اثر سالن کوانتومی
یک پدیده کوانتومی که زمانی رخ می دهد که میدان مغناطیسی عمود بر جریان الکتریکی در یک ماده رسانای دو بعدی اعمال شود. فرمیون‌های موجود در این ماده مقاومت الکتریکی کوانتیزه‌ای از خود نشان می‌دهند که منجر به ایجاد یک سری فلات در این ماده می‌شود نمودار سالن بسته به میدان مغناطیسی اعمال شده این اثر نمودی از خواص توپولوژیکی فرمیون ها است و کاربردهای مهمی در مترولوژی و الکترونیک کوانتومی دارد.
اثر درهم تنیدگی کوانتومی
وضعیت یک فرمیون ذاتاً با حالت دیگری مرتبط است، حتی اگر با فواصل زیاد از هم جدا شوند. این پدیده که توسط مکانیک کوانتومی پیش‌بینی شده است، به‌طور تجربی تأیید شده است و پیامدهای اساسی در نظریه اطلاعات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی دارد.
ابر تقارن
یک تقارن نظری که پیشنهاد می‌کند هر ذره فرمیونیک همتای بوزونی دارد و بالعکس. ابرتقارن یک ایده اساسی در نظریه فیزیک ذرات فراتر از مدل استاندارد است و از طریق آزمایش‌های انرژی بالا مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC).
نظریه ریسمان
یک چارچوب نظری که ذرات بنیادی را به‌عنوان ارتعاشات رشته‌ای یک بعدی به جای نقاط بی‌بعد توصیف می‌کند. این یک نظریه کوانتومی گرانش است که به دنبال متحد کردن تمام نیروهای اساسی طبیعت است و یکی از امیدوارکننده‌ترین رویکردها به فیزیک فراتر از مدل استاندارد است.