Fermión
Un fermión es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales que existen en la naturaleza (el otro tipo es el bosón). Los fermiones tienen espín semientero (1/2, 3/2, ...), siguen la estadística de Fermi-Dirac y están sujetos al principio de exclusión de Pauli. Los bosones, en cambio, tienen espín entero y obedecen a la estadística de Bose-Einstein.
En física de partículas, los fermiones incluyen todos los cuarks y leptones, así como todas las partículas compuestas formadas por un número impar de ellas, como todos los bariones y muchos átomos y núcleos.
En el modelo estándar de física existen dos tipos de fermiones fundamentales, los cuarks y los leptones. Los fermiones se consideran los constituyentes básicos de la materia, que interactúan entre ellos vía bosones de gauge. Este tipo de partícula se llama así en honor al científico italiano Enrico Fermi.
Algunos fermiones son partículas elementales (como el electrón), y otros son partículas compuestas (como el protón). La relación entre el espín y la estadística se explica mediante el teorema de espín-estadística de la teoría cuántica de campos relativista, según el cual las partículas con espín entero son bosones y las partículas con espín semientero son fermiones.
El físico Richard M. Weiner ha propuesto que los fermiones se distinguen además por poseer un número cuántico conservado de bariones o leptones, por lo que, según su planteamiento, la relación espín-estadística sería en realidad una relación espín-número cuántico.
Como consecuencia del principio de exclusión de Pauli, solo un fermión puede ocupar un determinado estado cuántico en un momento dado. Si varios fermiones tienen la misma distribución de probabilidad espacial, al menos una propiedad de cada uno, como su espín, debe ser diferente. Los fermiones suelen asociarse a la materia, mientras que los bosones son generalmente partículas portadoras de fuerza. Sin embargo, esta distinción no es absoluta: fermiones que interactúan débilmente entre sí pueden agruparse en pares que se comportan como bosones. Así, a temperaturas muy bajas, los átomos de helio-3 forman pares que dan lugar a la superfluidez, y los electrones de ciertos materiales forman pares de Cooper, responsables de la superconductividad.
Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones, son los componentes clave de la materia cotidiana.
El físico teórico inglés Paul Dirac acuñó el nombre de fermión a partir del apellido del físico italiano Enrico Fermi.
Historia del desarrollo del concepto de fermiones
El desarrollo del concepto de fermión refleja la interacción de los avances teóricos en mecánica cuántica y teoría de campos, culminando en una comprensión robusta de la materia y sus constituyentes fundamentales. Los fermiones desempeñan un papel crucial en el universo, formando los bloques de construcción de la materia e influyendo en muchos fenómenos físicos.
Principios del siglo XX: mecánica cuántica
1900s: Max Planck introdujo la idea de la cuantización de la energía, sentando las bases para la mecánica cuántica.
1924: El físico indio Satyendra Nath Bose y Albert Einstein desarrollaron la estadística de Bose-Einstein, describiendo el comportamiento de partículas que pueden ocupar el mismo estado cuántico, conocidas como bosones.
El concepto de fermiones
1926: Wolfgang Pauli introdujo el principio de exclusión, afirmando que no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico dos fermiones idénticos. Este fue un momento crucial en la definición de fermiones.
1927: El término "fermión" fue acuñado en honor al físico Enrico Fermi, en reconocimiento a sus contribuciones al tratamiento estadístico de partículas que obedecen el principio de exclusión de Pauli.
Desarrollo de la Estadística de Fermi-Dirac
1928: Fermi y Dirac formularon de manera independiente lo que ahora se conoce como estadística de Fermi-Dirac, que rige la distribución de partículas como electrones, protones y neutrones que siguen el principio de exclusión.
Teoría cuántica de campos
Década de 1940: El desarrollo de la teoría cuántica de campos (QFT) consolidó aún más la comprensión de los fermiones como partículas fundamentales. La ecuación de Dirac, formulada por Paul Dirac en 1928, predijo la existencia de antimateria y describió partículas de espín 1/2, que ahora se clasifican como fermiones.
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Década de 1970: Aparición del Modelo Estándar, que proporciona un marco integral que clasifica a los fermiones en dos grupos: quarks y leptones. Los quarks se combinan para formar protones y neutrones, mientras que los leptones incluyen partículas como electrones y neutrinos.
Desarrollos recientes
Década del 2000 y posteriores: La investigación continúa sobre el comportamiento fermiónico, particularmente en la física de la materia condensada y el estudio de aislantes topológicos, superconductores y el mecanismo de Higgs.
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 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 elementales, puede ser también un fermión o un bosón dependiendo solo del número de fermiones que contenga:
- Las partículas compuestas que contienen un número par de fermiones llegan a comportarse como bosones (para valores de la energía tales que no se rompan las ligaduras entre ellas). 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 se comportan en sí mismas como 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 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 compuestos por quarks que a su vez forman los protones y los neutrones del núcleo atómico y también por 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 esta sea una substancia extensa. El principio 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, tienen una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.
Fermiones supersimétricos
En el modelo ampliado de supersimetría de partículas elementales, existen más fermiones elementales. Para cada bosón existe un fermión como partícula compañera supersimétrica, un llamado bosino, de modo que el espín difiere en ±1/2 en cada caso. Los supercompañeros de los bosones se identifican con la terminación -ino en el nombre, así por ejemplo el fermión correspondiente al (hipotético) gravitón se llama entonces gravitino.
Estrictamente hablando, en primer lugar, en la imagen de la interacción, se asigna un campo fermiónico a cada campo bosónico como supercompañero. En la imagen de la masa, las partículas observables o predichas resultan respectivamente como combinación lineal de estos campos. En este caso, el número y la proporción relativa de los componentes que contribuyen a las mezclas en el lado de las superpartes fermiónicas no tienen que corresponder a las proporciones en el lado bosónico original. Sin embargo, en el caso más simple (con poca o ninguna mezcla), un fermión o bosino particular (como el gravitino mencionado anteriormente) puede ser asignado a un bosón.
Hasta ahora la existencia de ninguna de las partículas asociadas supersimétricas postuladas ha sido probada experimentalmente. Por lo tanto, en caso de existir deberían tener una masa tan elevada que no surgirían en condiciones normales. Se espera que la nueva generación de aceleradores de partículas pueda detectar al menos algunos de estos fermiones directa o indirectamente. Con la partícula supersimétrica más ligera (LSP Lightest Supersymmetric Particle), se espera encontrar un candidato a la materia oscura del universo.
Fermiones de Majorana
Un fermión de Majorana es un fermión que es su propia antipartícula. Recibe su nombre del físico italiano Ettore Majorana. No se conoce ningún fermión de Majorana en la naturaleza. Aunque no existen pruebas de que los fermiones de Majorana existan como partículas fundamentales, se han detectado excitaciones colectivas, o cuasipartículas, con un comportamiento análogo en sistemas de materia condensada.
En 2017, un equipo de físicos anunció haber obtenido la primera evidencia experimental de la existencia de fermiones de Majorana. El hallazgo se produjo tras una serie de experimentos con materiales exóticos llevados a cabo en laboratorios de la Universidad de California, en colaboración con científicos de la Universidad Stanford. Los experimentos se centraron en un tipo concreto de partícula de Majorana, conocida como «fermión quiral» porque se desplaza a lo largo de una trayectoria unidimensional y en un único sentido. Según los investigadores, aunque los experimentos fueron extremadamente difíciles de concebir, preparar y realizar, la señal obtenida fue clara e inequívoca. No obstante, en noviembre de 2022 la revista Science retractó el artículo en el que se habían publicado estos resultados, al considerar sus editores que no podían confiar en sus conclusiones.
Fermiones de Weyl
Durante un tiempo se creyó que los neutrinos eran fermiones de Weyl. Sin embargo, hoy se considera prácticamente seguro que los neutrinos tienen masa y, por tanto, no pueden ser partículas de Weyl. En 2015, investigadores de la Universidad de Princeton encontraron pruebas de que los fermiones de Weyl existen como cuasipartículas, es decir, como excitaciones colectivas de electrones, en el semimetal arseniuro de tántalo (TaAs).
En 2014 se habían publicado cálculos que indicaban que el TaAs era un semimetal de Weyl. Por ello, debía albergar fermiones de Weyl en el volumen del material y presentar en su superficie una estructura característica denominada «arco de Fermi». Mediante una técnica estándar, la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), el equipo halló pruebas de la existencia de un arco de Fermi. A continuación, empleó la técnica de ARPES con rayos X blandos para estudiar con mayor profundidad el volumen del material. Así obtuvo nuevas pruebas de la presencia de fermiones de Weyl, en forma de «conos de Weyl» y «nodos de Weyl», ambos en concordancia con los cálculos previos de los investigadores.
Los fermiones de Weyl podrían tener importantes aplicaciones. Al carecer de masa, permitirían transportar la carga eléctrica a través de un material con mucha mayor rapidez que los electrones ordinarios, lo que podría aprovecharse para fabricar circuitos electrónicos más rápidos. Esta propiedad también la comparten los electrones del grafeno. Sin embargo, a diferencia del grafeno, que es un material bidimensional, los fermiones de Weyl existirían en materiales tridimensionales, más prácticos para su uso tecnológico. Además, las partículas de Weyl están protegidas topológicamente frente a la dispersión, lo que podría hacerlas útiles en la computación cuántica.
Referencias
- 1 2 Griffiths, David J.; Schroeter, Darrell F. (2018). Introduction to Quantum Mechanics (en inglés) (3.ª edición). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-18963-8.
- 1 2 3 4 Griffiths, David (2008). Introduction to Elementary Particles (en inglés) (2.ª edición revisada edición). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.
- 1 2 Farmelo, Graham (2009). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom (en inglés). Nueva York: Basic Books. p. 331. ISBN 978-0-465-01827-7. «Nota 64, que remite a las notas de la conferencia de Dirac «Developments in Atomic Theory», Palais de la Découverte, 6 de diciembre de 1945.»
- ↑ Streater, Raymond F.; Wightman, Arthur S. (2000). PCT, Spin and Statistics, and All That. Princeton Landmarks in Mathematics and Physics (en inglés). Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07062-9.
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- ↑ Annett, James F. (2004). Superconductivity, Superfluids and Condensates. Oxford Master Series in Condensed Matter Physics (en inglés). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850756-7.
- ↑ Fermi, E. Nuclear Physics: A Course Given by Enrico Fermi at the University of Chicago (1950) University of Chicago Press 184 pag. ISBN: 978-0226247760
- ↑ Dirac, P. A. M. The Principles of Quantum Mechanics (1930) Oxford University Press 343 pag. ISBN: 978-0198527286
- ↑ Weinberg, S. The Quantum Theory of Fields, Volume 1: Foundations (1995) Cambridge University Press 528 pag. ISBN: 978-0521550023
- ↑ Griffiths, D. J. Introduction to Quantum Mechanics (1995) Prentice Hall, 503 pag. ISBN: 978-0131244051
- 1 2 3 4 Johnston, Hamish (23 de julio de 2015). «Weyl fermions are spotted at long last». En IOP Publishing, ed. Physics World. Consultado el 22 de abril de 2025.
- ↑ Nieves, José Manuel (21 de julio de 2017). «Logran, por primera vez, hallar un fermión de Majorana, la partícula que es su propia antipartícula». ABC. Consultado el 22 de abril de 2025.
- ↑ «Another 'Majorana' particle paper retracted, this time from Science». Retraction Watch (en inglés). 17 de noviembre de 2022. Consultado el 14 de octubre de 2026.
Véase también
Enlaces externos
Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre fermión.
