Fermión

Esquema en el que se muestran los distintos tipos de partículas elementales: los fermiones (quarks -en morado- y leptones -en verde-) y los bosones (en azul). Autor: Joniale.

El fermión, cuyo nombre se puso en honor al célebre científico italiano Enrico Fermi, es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales que existen en la naturaleza (el otro tipo es el bosón), y se caracterizan por tener un espín semi-entero (1/2, 3/2,…). En el modelo estándar de la Física de Partículas, los fermiones (existen dos tipos fundamentales: los quarks y los leptones) se consideran los constituyentes básicos de la materia.

Descripción cuántica:

En la descripción de la Mecánica Cuántica No Relativista, las funciones de onda de los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen la denominada estadística de Fermi-Dirac verificando, por tanto, el principio de exclusión de Pauli. Esta propiedad implica que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo.

Todas las partículas elementales «observadas» son fermiones o bosones. Una partícula compuesta, formada por varias partículas elementales, puede ser también un fermión o un bosón, dependiendo sólo del número de fermiones que contenga:

Las partículas compuestas que contienen un número par de fermiones son bosones. Este es el caso, por ejemplo, de los mesones o del núcleo de carbono-12.
Las partículas compuestas que contienen un número impar de fermiones son fermiones. Este es el caso, por ejemplo, de los bariones o del núcleo de carbono-13.

Por el contrario, el número de bosones que contenga la partícula es irrelevante de cara a determinar su posible naturaleza fermiónica o bosónica.

Por supuesto, el comportamiento fermiónico o bosónico de las partículas compuestas solo se aprecia si observamos el sistema a gran distancia en comparación con la escala de la partícula. Si observamos a escalas similares, entonces la contribución de la estructura espacial empieza a ser importante. Por ejemplo, dos átomos de helio-4, a pesar de ser bosones, no pueden ocupar el mismo espacio si este es comparable al tamaño de la estructura de la partícula en cuestión. Así, el helio líquido tiene una densidad finita comparable a la densidad de la materia líquida ordinaria.

Fermiones elementales:

Los fermiones elementales se dividen en dos grupos:

Quarks, que forman las partículas del núcleo atómico y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte.
Leptones, entre los que se encuentran los electrones y otras partículas, que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil.

La materia ordinaria está básicamente formada por fermiones, y a ellos debe prácticamente toda su masa. Los átomos están básicamente formados por quarks (que a su vez forman los protones y los neutrones del núcleo atómico) y también de leptones (los electrones). El Principio de Exclusión de Pauli obedecido por los fermiones es el responsable de la «impenetrabilidad» de la materia ordinaria, que hace que ésta sea una substancia extensa. El principio de exclusión de Pauli también es responsable de la estabilidad de los orbitales atómicos haciendo que la complejidad química sea posible. También es el responsable de la presión ejercida por la materia degenerada.

Los fermiones elementales también pueden ser clasificados en:

Fermiones de Majorana, cuando son estados propios del operador de conjugación de carga y, por tanto, dos fermiones de ese tipo pueden aniquilarse mutuamente.
Fermiones de Dirac, cuando no son estados propios del operador de conjugación de carga y, por tanto, tiene una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.

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Figuras:
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