Fermioni — alkeishiukkanen: määritelmä, spiniluku ja esimerkit

Fermioni — alkeishiukkanen: selkeä määritelmä, spiniluvut ja esimerkit (elektroni, kvarkit, leptonit). Ymmärrä fermionien rooli aineessa ja Fermi-Dirac-tilasto.

Fermioni on alkeishiukkasten luokka. Ne ovat hyvin pieniä ja hyvin kevyitä. Fermioneja voidaan pitää aineen rakennuspalikoina, koska atomit koostuvat fermioneista. Paul Dirac nimesi ne fermioneiksi kuuluisan tiedemiehen nimeltä Enrico Fermi kunniaksi. Fermionit voivat olla joko perushiukkasia (kuten kvarkit ja leptonit) tai kokoonpanoja, esimerkiksi protoni ja neutroni, jotka koostuvat kvarkeista.

Spin, tilastot ja Pauli

Elektroni (varattu hiukkanen) on fermioni, mutta fotoni (sähkömagneettisen säteilyn hiukkanen) ei ole. Fermionien spiniluvut ovat 1/2, 3/2, 5/2 jne. Koska fermionien spin ei ole kokonaisluku, ne noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta: kaksi fermionia ei voi jakaa kvanttitilaa (joka sisältää sijainnin avaruudessa), jos niillä on samat kvanttiluvut, kuten spin. Tämä periaate on keskeinen atomien, kemian ja kiinteiden aineiden rakenteen ymmärtämisessä: esimerkiksi elektronit täyttävät atomiorbitaaleja yhden kerrallaan eri kvanttiluvuilla, mikä johtaa elektronikuorien muodostumiseen.

Toisin sanoen fermionit voivat "sulkea" toisensa pois samasta kvanttitilasta, kun taas toisesta alkeishiukkasluokasta, bosoneiksi kutsutuista hiukkasista, monta identtistä yksilöä voi olla samassa tilassa samaan aikaan (esimerkiksi fotonit laservalon koherentissa säteilyssä). Fermionien liike ja tilastollinen käyttäytyminen kuvataan Fermi-Diracin tilastolla, mikä on tärkeää mm. metallien sähkönjohtavuuden, elektronikaasun ja neutronitähtien degeneroituneen aineen ymmärtämisessä.

Esimerkkejä ja spin 1/2 -fermioneista

Useimpien tunnettujen fermionien spin on 1/2. Esimerkki fermionityypistä, jonka spin on 1/2, on elektroni. Elektroni kuuluu fermionien ryhmään, jota kutsutaan leptoneiksi. Myös protoni ja neutroni ovat fermioneja (niiden kokonaisspin on 1/2), mutta ne ovat koostumuksellisia: niistä koostuvat kvarkit määräävät niiden ominaisuudet.

Fermioneihin liittyy monia ilmiöitä, kuten degeneroitunut paine, joka syntyy Pauli-periaatteen vuoksi: vaikka lämpötila laskee, fermionit eivät voi kaikki asettua alimpaan tilaan, joten syntyy kvanttihäiriöstä johtuva paine. Tämä ilmiö selittää esim. mikroseita elektroni- ja neutronitähtien vakauden rajaehdot.

Perusfermionit: kvarkit ja leptonit

Perusfermionit (fermionit, jotka eivät koostu mistään muusta) ovat joko kvarkkeja tai leptoneita. Kvarkkeja on kuusi erilaista (ns. makua) ja leptoneita kuusi erilaista. Näiden nimet suomeksi ja englanniksi yleisesti käytetyssä muodossa ovat:

• Kvarkit – up (ylös), down (alas), charm (viehätys), strange (outo), top (ylin / huippu), bottom (ala)
• Leptonit – elektroni, myoni, tau sekä niiden neutriinot: elektronineutriino, myonin neutriino, tau-neutriino

Jokaiseen näistä fermioneista liittyy myös antihiukkanen, joten perusfermioneja on yhteensä 24 erilaista (6 kvarkkia + 6 niiden antikvarkkia + 6 leptonia + 6 antileptonia). Antihiukkanen on samanlainen kuin alkuperäinen hiukkanen, mutta sillä on vastakkainen sähkövaraus (tai yleensä muut inversiot kvanttiominaisuksissa). Up-, charm- ja top-kvarkkien sähkövaraukset ovat +2/3. Niiden antihiukkasten varaus on -2/3 (anti-up, anti-charm, anti-top). Kolmella muulla kvarkilla (down, strange ja bottom) on varaus -1/3, ja niiden antihiukkasilla on varaus +1/3. Elektronilla, muonilla ja tau-leptonilla on kaikilla varaus -1, ja niiden antihiukkasilla (antielektroni eli "positroni", anti-muoni, anti-tau) on varaus +1. Kaikilla neutriinoilla ja antineutriinoilla on varaus 0. Suurin ero saman varauksen omaavien kvarkkien tai leptonien välillä on niiden massa, joka vaihtelee suuresti makojen välillä.

Lisätieto: väri, sitoutuminen ja havainnot

Kvarkeilla on lisäksi ominaisuus nimeltä "väri" (color), joka liittyy välibosoneihin ja vahvaan vuorovaikutukseen (kvarkkeja ei voi havaita yksinään vapaana tilana johtuen konfinementistä). Kvarkit sitoutuvat toisiinsa muodostaen hadroneja: baryoneita (kolmen kvarkin yhteenliittymiä, esim. protoni) ja mesoneja (kvarkki–antikvarkki -pareja).

Fermionit havaitaan hiukkastutkimuksessa säteilyn ja törmäysten avulla, ja niiden ominaisuuksia mitataan detektoreissa ja kiihdyttimissä. Elektronien kvanttikäyttäytyminen on myös teknologian perusta: puolijohteiden ja elektronisen sähkölaitteiston toiminta perustuu fermionien tilanjakautumaan ja kvanttimekaniikan periaatteisiin.

Minkä tahansa fermionin supersymmetristä vastinetta kutsutaan "sfermioniksi". Supersymmetrian hypoteettiset kumppanit olisivat bosonisia (kokonaisspinisiä) ja niillä olisi samankaltaiset muut ominaisuudet kuin alkuperäisillä fermioneilla, mutta näitä sfermioneita ei ole vielä havaittu kokeellisesti.

Yhteenveto: Fermionit ovat puoliksi kokonaislukuispinin hiukkasia, jotka muodostavat aineen perustan ja seuraavat Pauli-poissulkemisserperiaatetta ja Fermi-Diracin tilastoa. Ne jakautuvat perusfermioneihin (kvarkit ja leptonit) sekä kokoonpanohiukkasiin, ja niiden ominaisuudet kuten varaus, massa ja vuorovaikutukset määräävät aineen makroskooppisen käyttäytymisen.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on fermioni?

K: Kuka nimesi ne fermioneiksi?

K: Onko elektroni fermioni?

K: Voiko kaksi fermionia jakaa saman kvanttitilan?

K: Kuinka monta erilaista perusfermionia on olemassa?

K: Mitä eroa on kvarkkien tai leptonien välillä, joilla on sama varaus?

Hae kirjaimella