Fermiones: definición, propiedades, espín y tipos (quarks y leptones)
Fermiones: definición y propiedades esenciales — espín, estadística Fermi-Dirac, exclusión de Pauli y tipos fundamentales: quarks y leptones. Aprende sus características clave.
Un fermión es una categoría de partículas elementales caracterizada por tener espín semientero y por obedecer la estadística de Fermi-Dirac. Se consideran los constituyentes básicos de la materia: por ejemplo, los átomos están formados por fermiones. El término «fermión» fue introducido por Paul Dirac en honor al físico Enrico Fermi.
Espín, principio de exclusión y consecuencias
Los fermiones tienen valores de espín que son números semienteros: 1/2, 3/2, 5/2, ... El caso más frecuente en la naturaleza (y en el Modelo Estándar) es el espín 1/2. Debido a su espín semientero, la función de onda total de dos fermiones idénticos cambia de signo al intercambiarlos; esto conduce al conocido principio de exclusión de Pauli, que establece que no puede haber dos fermiones idénticos ocupando exactamente el mismo estado cuántico (incluyendo ubicación, momento y números cuánticos como el espín).
El principio de exclusión es responsable de muchas propiedades macroscópicas importantes: la existencia de capas electrónicas en los átomos, la estructura química de la materia y la rigidez de cuerpos macroscópicos. En condiciones extremas (por ejemplo, en enanas blancas o estrellas de neutrones) la presión de degeneración de fermiones determina la estabilidad del objeto.
Diferencia entre fermiones y bosones
La otra gran clase de partículas son los bosones, que tienen espín entero y obedecen la estadística de Bose–Einstein. A diferencia de los fermiones, muchos bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo (por ejemplo, múltiples fotones coincidentes). Un ejemplo práctico: un electrón es un fermión, mientras que un fotón no lo es.
Fermiones fundamentales: quarks y leptones
En el Modelo Estándar de la física de partículas, los fermiones fundamentales (es decir, los que no están formados por otras partículas conocidas) se clasifican en dos familias: quarks y leptones. Hay seis sabores de quarks y seis leptones, organizados en tres generaciones. Estos son sus nombres:
- Quarks - up, down, charm, strange, top, bottom
- Leptones - electrón, muón, tau, neutrino electrónico, neutrino muón, neutrino tau
Cada fermión fundamental tiene una antipartícula asociada, de modo que contando partículas y antipartículas hay 24 fermiones fundamentales diferentes en el Modelo Estándar. La antipartícula comparte las mismas propiedades (masa, espín) salvo por algunas cargas, como la carga eléctrica, que suele ser de signo opuesto.
Cargas eléctricas y masa
Los quarks presentan cargas fraccionarias: los quarks "up", "charm" y "top" tienen carga eléctrica +2/3, y sus antipartículas tienen carga -2/3 (anti-up, anti-charm, anti-top). Los quarks "down", "strange" y "bottom" llevan carga -1/3, y sus antipartículas tienen +1/3. Los leptones cargados (el electrón, el muón y el tau) tienen carga -1 y sus antipartículas (por ejemplo, el antielectrón o positrón) carga +1. Los neutrinos y sus antineutrinos son eléctricamente neutros.
La principal diferencia entre fermiones con la misma carga es su masa: el top es la partícula fundamental más pesada conocida, mientras que los neutrinos tienen masas muy pequeñas (no nulas, según los experimentos de oscilación de neutrinos).
Interacciones y confinamiento
Los quarks interactúan mediante las tres fuerzas fundamentales menos la gravitatoria en sentido práctico: además de la interacción electromagnética (si están cargados) y la interacción débil, sienten la interacción fuerte (cromodinámica cuántica), que los mantiene confinados dentro de hadrones (como protones y neutrones). Por eso los quarks nunca se observan aislados en condiciones normales. Los leptones, en cambio, no sienten la interacción fuerte; interactúan mediante la interacción electromagnética (si están cargados) y la interacción débil (los neutrinos solo interactúan débilmente en la práctica).
Fermiones compuestos y ejemplos
Además de los fermiones fundamentales, existen fermiones compuestos: por ejemplo, un protón o un neutrón son fermiones porque están formados por tres quarks y su espín total resulta semientero. En la vida cotidiana, los electrones (fermiones de espín 1/2) y los protones y neutrones (fermiones compuestos) son los responsables de las propiedades materiales que observamos.
Notas finales
La teoría supersimétrica propone para cada fermión una contraparte bosónica llamada "sfermión"; la idea aparece en modelos más allá del Modelo Estándar y, de existir, esas partículas aún no han sido observadas experimentalmente (supersimétrica).
Resumen rápido: los fermiones son partículas con espín semientero que obedecen el principio de exclusión de Pauli y la estadística de Fermi–Dirac; en el Modelo Estándar hay seis quarks y seis leptones (y sus antipartículas), que constituyen la materia tal como la conocemos.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un fermión?
R: Un fermión es una categoría de partículas elementales muy pequeñas y ligeras. Se puede pensar en ellas como los bloques de construcción de la materia porque los átomos están formados por ellas.
P: ¿Quién les dio el nombre de fermiones?
R: Paul Dirac los llamó fermiones en honor del famoso científico Enrico Fermi.
P: ¿Es un electrón un fermión?
R: Sí, un electrón (una partícula cargada) es un tipo de fermión.
P: ¿Pueden dos fermiones compartir el mismo estado cuántico?
R: No, debido a que su número de espín no es un número entero, sigue el principio de exclusión de Pauli que establece que no puede haber dos fermiones que compartan el mismo estado cuántico si tienen los mismos números cuánticos como el espín.
P: ¿Cuántos fermiones fundamentales diferentes hay?
R: Hay 24 fermiones fundamentales diferentes: 6 quarks y 6 leptones más sus antipartículas asociadas.
P: ¿Cuál es la diferencia entre quarks o leptones con la misma carga?
R: La principal diferencia entre quarks o leptones con la misma carga es su masa.
P:¿Qué es un sfermión? R:La contrapartida supersimétrica de cualquier fermión se llama "sfermión".
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