Définition de Fermion en physique

En physique des particules, un fermion est un type de particule qui obéit aux règles des statistiques de Fermi-Dirac, à savoir le Principe d'exclusion de Pauli. Ces fermions ont également un rotation quantique avec contient une valeur demi-entier, comme 1/2, -1/2, -3/2, etc. (En comparaison, il existe d'autres types de particules, appelées bosons, qui ont un spin entier, tel que 0, 1, -1, -2, 2, etc.)

Les fermions sont parfois appelées particules de matière, car ce sont les particules qui constituent la majeure partie de ce que nous considérons comme de la matière physique dans notre monde, y compris les protons, les neutrons et les électrons.

Les fermions ont été prédites pour la première fois en 1925 par le physicien Wolfgang Pauli, qui essayait de comprendre comment expliquer la structure atomique proposée en 1922 par Niels Bohr. Bohr avait utilisé des preuves expérimentales pour construire un modèle atomique qui contenait des coquilles d'électrons, créant des orbites stables pour que les électrons se déplacent autour du noyau atomique. Bien que cela corresponde bien aux preuves, il n'y avait aucune raison particulière pour laquelle cette structure serait stable et c'est l'explication que Pauli essayait d'atteindre. Il s'est rendu compte que si vous assigniez des nombres quantiques (appelés plus tard

En 1926, Enrico Fermi et Paul Dirac ont tenté indépendamment de comprendre d'autres aspects de comportement électronique apparemment contradictoire et, ce faisant, a établi une méthode statistique plus complète de traitant des électrons. Bien que Fermi ait développé le système en premier, ils étaient assez proches et les deux ont fait assez de travail pour que la postérité surnommé leur méthode statistique statistiques Fermi-Dirac, bien que les particules elles-mêmes ont été nommées d'après Fermi lui-même.

Le fait que les fermions ne puissent pas tous s'effondrer dans le même état - encore une fois, c'est la signification ultime du principe d'exclusion de Pauli - est très important. Les fermions à l'intérieur du soleil (et de toutes les autres étoiles) s'effondrent ensemble sous la force de gravité intense, mais ils ne peuvent pas s'effondrer complètement en raison du principe d'exclusion de Pauli. En conséquence, il y a une pression générée qui pousse contre l'effondrement gravitationnel de la matière de l'étoile. C'est cette pression qui génère la chaleur solaire qui alimente non seulement notre planète mais aussi une grande partie de l'énergie dans le reste de notre univers... y compris la formation même d'éléments lourds, comme décrit par nucléosynthèse stellaire.

Il y a un total de 12 fermions fondamentaux - des fermions qui ne sont pas constitués de particules plus petites - qui ont été identifiés expérimentalement. Ils se répartissent en deux catégories:

• Quarks - Les quarks sont les particules qui composent les hadrons, comme les protons et les neutrons. Il existe 6 types de quarks distincts:
  • • Up Quark
  • Charm Quark
  • Top Quark
  • Down Quark
  • Strange Quark
  • Quark inférieur
• Leptons - Il existe 6 types de leptons:
  • • Électron
  • Électron Neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

En plus de ces particules, la théorie de la supersymétrie prédit que chaque boson aurait un équivalent fermionique jusqu'ici non détecté. Puisqu'il y a 4 à 6 bosons fondamentaux, cela suggérerait que - si la supersymétrie est vraie - il y en a 4 à 6 fermions fondamentaux qui n'ont pas encore été détectés, probablement parce qu'ils sont très instables et se sont désintégrés en d'autres formes.

Au-delà des fermions fondamentaux, une autre classe de fermions peut être créée en combinant des fermions ensemble (éventuellement avec des bosons) pour obtenir une particule résultante avec un spin demi-entier. Les tours quantiques s'additionnent, donc certaines mathématiques de base montrent que toute particule qui contient un impair nombre de fermions va finir avec un spin demi-entier et, par conséquent, sera un fermion lui-même. Quelques exemples:

• Baryons - Ce sont des particules, comme les protons et les neutrons, qui sont composées de trois quarks réunis. Étant donné que chaque quark a un spin demi-entier, le baryon résultant aura toujours un spin demi-entier, quels que soient les trois types de quark qui se rejoignent pour le former.
• Hélium-3 - Contient 2 protons et 1 neutron dans le noyau, ainsi que 2 électrons qui l'entourent. Puisqu'il y a un nombre impair de fermions, le spin résultant est une valeur demi-entière. Cela signifie que l'hélium-3 est également un fermion.

Édité par Anne Marie Helmenstine, Ph. D.