Fermióny: definícia, vlastnosti, príklady (kvarky, leptóny, neutrína)

Základné vlastnosti

• Spin: Fermióny majú polovičné (nie celistvé) hodnoty spinu, najčastejšie 1/2.
• Fermiho–Diracova štatistika: Pohyb a rozdelenie fermiónov v termodynamike sa riadia touto štatistikou.
• Pauliho vylučovací princíp: Dva identické fermióny nemôžu zdieľať rovnaký kvantový stav (t. j. všetky kvantové čísla vrátane spinu). To je základný dôvod, prečo majú atómy usporiadané elektrónové hladiny a prečo existuje stabilná štruktúra hmoty. (To však neznamená, že sa fermióny nemôžu navzájom zrážať — fyzické zrážky sú bežné, ale nemôžu skončiť v úplne rovnakom kvantovom stave.)
• Antičastice: Ku každej častici existuje antičastica s rovnakou hmotnosťou, ale s opačnými internými nábojmi (napr. elektrón vs. pozitrón).

Druhy fermiónov

Základné (nezložené) fermióny rozdeľujeme do dvoch skupín: kvarky a leptóny. V štandardnom modeli existujú tri generácie (každá obsahuje jeden kvarkový pár a jeden leptónový pár), spolu šesť kvarkov a šesť leptónov:

• Kvarky - up (hore), down (dole), charm (kúzlo), strange (zvláštny), top (vrchol), bottom (spodný)
• Leptóny - elektrón, mión, tauón, elektrónové neutríno, miónové neutríno, tauónové neutríno

Ku každej z týchto častíc patrí aj antičastica, takže základných fermiónov (vrátane antičastíc) je 24. Antičastice majú opačný elektrický náboj (okrem neutrín, ktoré majú náboj 0).

Elektrický náboj, hmotnosť a ďalšie vlastnosti

• Kvarky majú zlomkový elektrický náboj: up‑typ kvarky (up/charm/top) +2/3, down‑typ kvarky (down/strange/bottom) −1/3. Ich antičastice majú opačné náboje.
• Elektrón, mión a tau majú náboj −1; ich antičastice (napr. pozitrón pozitrón) majú +1.
• Hmotnosti fermiónov sa výrazne líšia medzi jednotlivými typmi — hlavný rozdiel medzi fermiónmi so rovnakým nábojom je práve ich hmotnosť.
• Kvarky niesú voľne pozorovateľné kvôli konfínementu: viažu sa navzájom farbovým (color) nábojom do hadronov — napr. baryónov (tri kvarky, ktoré sú často fermióny, ako protón a neutrón) a mezónov (kvark + antikvark, ktoré sú bosóny).

Príklady a dôsledky

• Elektrón je najznámejší fermión (leptón so spinom 1/2) a zohráva kľúčovú úlohu v chémii a elektrických vlastnostiach látok.
• Proton a neutrón sú zložené fermióny (barióny) tvorenými kvarkami; ich fermiónová povaha vysvetňuje vznik vyplnených kvantových hladín v atómoch jadra a stabilitu jadier.
• Neutrína sú veľmi ľahké (dlho sa predpokladalo, že sú bez hmotnosti, dnes vieme, že majú malé nenulové hmotnosti) a existuje otvorená otázka, či sú Diracove alebo Majoranove častice — t. j. či sa neutríno a antineutríno môžu teoreticky zhodovať.

Supersymetria

V hypotetickom modeli supersymetrie má každý fermión skalárneho (celočísleného) partnera nazývaného sfermión. Tento partner by mal spin o pol jednotky menší (spravidla 0) a nosí podobné kvantové čísla okrem spinu. (Viac o tomto pojme sa dozviete v súvislostiach so supersymetriou.)

Fermióny teda tvoria základ materiálnej časti štandardného modelu častíc; ich vlastnosti (spin 1/2, Pauliho princíp, Fermiho‑Diracova štatistika) majú zásadný dopad na štruktúru a vlastnosti hmoty, ako ju poznáme.