物理学: フェルミオンの定義
フェルミ粒子が特別な理由
素粒子の標準模型。フェルミラボ
素粒子物理学では、 フェルミオン は、フェルミ ディラック統計の規則に従う粒子の一種です。つまり、 パウリの排除原理 .これらのフェルミオンには、 量子スピン with には、1/2、-1/2、-3/2 などの半整数値が含まれます。 (比較すると、と呼ばれる他の種類の粒子があります。 ボソン 、0、1、-1、-2、2 などの整数スピンを持つ)
フェルミ粒子が特別な理由
フェルミオンは、陽子、中性子、電子など、私たちが世界の物理的物質と考えるもののほとんどを構成する粒子であるため、物質粒子と呼ばれることがあります。
フェルミオンは、1922 年に提案された原子構造を説明する方法を理解しようとしていた物理学者の Wolfgang Pauli によって 1925 年に最初に予測されました。 ニールス・ボーア .ボーアは実験的証拠を使用して、電子殻を含む原子モデルを構築し、電子が原子核の周りを移動するための安定した軌道を作成しました。これは証拠とよく一致しましたが、この構造が安定する特別な理由はなく、それがパウリが到達しようとしていた説明です。彼は、量子数 (後に 量子スピン ) これらの電子には、2 つの電子がまったく同じ状態にならないことを意味する何らかの原理があるように思われました。この規則は、パウリの排除原則として知られるようになりました。
1926年、エンリコ・フェルミとポール・ディラックは独立して、一見矛盾した電子の挙動の他の側面を理解しようと試み、その中で電子を扱うより完全な統計的方法を確立しました。フェルミが最初にシステムを開発しましたが、粒子自体はフェルミ自身にちなんで名付けられましたが、それらは十分に近く、後世の人々がフェルミ・ディラック統計と名付けたほど十分な仕事をしました。
フェルミオンがすべて同じ状態に崩壊することはあり得ないという事実 - 繰り返しますが、これはパウリの排他原理の究極の意味です - は非常に重要です。太陽 (および他のすべての星) 内のフェルミオンは、強い重力の下で一緒に崩壊していますが、パウリの排他原理のために完全に崩壊することはできません。その結果、星の物質の重力崩壊を押す圧力が発生します。私たちの惑星だけでなく、私たちの宇宙の残りのエネルギーの多くに燃料を供給する太陽熱を生成するのはこの圧力です... 星の元素合成 .
基本フェルミオン
実験的に確認されている基本フェルミオン (より小さな粒子で構成されていないフェルミオン) は合計 12 あります。それらは次の 2 つのカテゴリに分類されます。
- クォーク - クォークは、陽子や中性子などのハドロンを構成する粒子です。クォークには 6 つの異なるタイプがあります。
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- アップクォーク
- チャームクォーク
- トップクォーク
- ダウンクォーク
- ストレンジ・クォーク
- ボトムクォーク
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- レプトン - レプトンには 6 種類あります。
これらの粒子に加えて、超対称性の理論は、すべてのボソンがこれまでに検出されていないフェルミ粒子の対応物を持つことを予測しています。基本ボソンは 4 から 6 個あるので、超対称性が正しいとすれば、まだ検出されていない基本フェルミ粒子が 4 から 6 個あることを示唆している。
複合フェルミオン
基本的なフェルミオンを超えて、フェルミオンを (おそらくボソンと一緒に) 組み合わせて半整数スピンを持つ結果の粒子を取得することにより、別のクラスのフェルミオンを作成できます。量子スピンは合計されるので、いくつかの基本的な数学は、奇数のフェルミオンを含む粒子は半整数スピンになり、したがってフェルミオン自体になることを示しています。いくつかの例は次のとおりです。
によって編集アン・マリー・ヘルメンスタイン博士