فرميون

في فيزياء الجسيمات ، الفرميون هو جسيم دون ذري يخضع لإحصاءات فيرمي-ديراك . يمتلك الفرميون عزمًا مغزليًا نصف صحيح ( عزم مغزلي ١/٢ ، عزم مغزلي ٣/٢ ، إلخ ) ويخضع لمبدأ استبعاد باولي . تشمل هذه الجسيمات جميع الكواركات واللبتونات ، وجميع الجسيمات المركبة المكونة من عدد فردي منها، مثل جميع الباريونات والعديد من الذرات والنوى . يختلف الفرميون عن البوزونات ، التي تخضع لإحصاءات بوز- أينشتاين .

بعض الفرميونات جسيمات أولية (مثل الإلكترونات )، وبعضها جسيمات مركبة (مثل البروتونات ). على سبيل المثال، وفقًا لنظرية الإحصاء الدوراني في نظرية الحقل الكمومي النسبية ، فإن الجسيمات ذات الدوران الصحيح هي بوزونات . في المقابل، فإن الجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح هي فرميونات.

إضافةً إلى خاصية الدوران، تتمتع الفرميونات بخاصية أخرى محددة: فهي تمتلك أعدادًا كمية محفوظة للباريونات أو الليبتونات . لذلك، فإن ما يُشار إليه عادةً بعلاقة الدوران-الإحصاءات هو في الواقع علاقة بين الدوران-الإحصاءات والعدد الكمي. ^{[ 1 ]}

نتيجةً لمبدأ استبعاد باولي، لا يمكن إلا لفيرميون واحد أن يشغل حالة كمومية معينة في لحظة معينة. إذا افترضنا أن عدة فيرميونات لها نفس التوزيع الاحتمالي المكاني ، فلا بد أن تختلف خاصية واحدة على الأقل لكل فيرميون، مثل دورانه المغزلي. ترتبط الفيرميونات عادةً بالمادة ، بينما تُعد البوزونات عمومًا جسيمات حاملة للقوة . مع ذلك، في الوضع الراهن لفيزياء الجسيمات، لا يزال التمييز بين المفهومين غير واضح. يمكن للفيرميونات ضعيفة التفاعل أن تُظهر سلوكًا بوزونيًا في ظل ظروف قاسية. على سبيل المثال، عند درجات الحرارة المنخفضة، تُظهر الفيرميونات خاصية الميوعة الفائقة للجسيمات غير المشحونة، وخاصية الموصلية الفائقة للجسيمات المشحونة.

تُعد الفرميونات المركبة، مثل البروتونات والنيوترونات ، اللبنات الأساسية للمادة اليومية .

صاغ الفيزيائي النظري الإنجليزي بول ديراك اسم الفرميون من اسم عائلة الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي . ^{[ 2 ]}

يُقرّ النموذج القياسي بنوعين من الفرميونات الأولية: الكواركات واللبتونات . إجمالاً، يُميّز النموذج 24 فرميوناً مختلفاً. هناك ستة كواركات ( العلوي ، السفلي ، الغريب ، الساحر ، القاعي ، والعلوي )، وستة لبتونات ( الإلكترون ، نيوترينو الإلكترون ، الميون ، نيوترينو الميون ، التاو ، ونيوترينو التاو )، بالإضافة إلى الجسيم المضاد لكل منها. 

رياضياً، هناك العديد من أنواع الفرميونات، وأكثرها شيوعاً هي الأنواع الثلاثة التالية:

• فرميونات فايل (عديمة الكتلة)،
• فرميونات ديراك (ذات الكتلة)، و
• فرميونات ماجورانا (كل منها جسيم مضاد خاص به).

يُعتقد أن معظم فرميونات النموذج القياسي هي فرميونات ديراك، مع أنه من غير المعروف حاليًا ما إذا كانت النيوترينوات فرميونات ديراك أو ماجورانا (أو كليهما). يمكن اعتبار فرميونات ديراك مزيجًا من فرميونين من نوع فايل. ^{[ 3 ] : 106.} في يوليو 2015، تم تحقيق فرميونات فايل تجريبيًا في أشباه فلزات فايل .

يمكن أن تكون الجسيمات المركبة (مثل الهادرونات والنوى والذرات) بوزونات أو فرميونات تبعًا لمكوناتها. وبشكل أدق، نظرًا للعلاقة بين اللف المغزلي والإحصاء، فإن الجسيم الذي يحتوي على عدد فردي من الفرميونات هو فرميون بحد ذاته، وسيكون له لف مغزلي نصف صحيح. أما عدد البوزونات داخل الجسيم المركب المكون من جسيمات بسيطة مرتبطة بجهد، فلا يؤثر على كونه بوزونًا أو فرميونًا.

ومن الأمثلة على ذلك ما يلي:

• يحتوي الباريون، مثل البروتون أو النيوترون، على ثلاثة كواركات فرميونية.
• تحتوي نواة ذرة الكربون-13 على ستة بروتونات وسبعة نيوترونات.
• تتكون ذرة الهيليوم-3 ( ^3He ) من بروتونين ونيوترون واحد وإلكترونين. أما ذرة الديوتيريوم فتتكون من بروتون واحد ونيوترون واحد وإلكترون واحد.

لا يُلاحظ السلوك الفرميوني أو البوزوني للجسيم المركب إلا عندما تكون الجسيمات المكونة له متباعدة. أما عندما تتقارب، يصبح التركيب المكاني ذا أهمية، وتتصرف الجسيمات المركبة وفقًا لتكوينها.

يمكن أن تُظهر الفرميونات سلوكًا بوزونيًا عندما ترتبط في أزواج. وهذا هو أصل الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة للهيليوم-3. في المواد فائقة التوصيل، تتفاعل الإلكترونات من خلال تبادل الفونونات ، مُكَوِّنةً أزواج كوبر ، بينما في الهيليوم-3، تتفاعل الذرات وتتزاوج عبر تقلبات الدوران المغزلي.

تُعرف الجسيمات شبه الكمومية لتأثير هول الكمومي الكسري أيضًا باسم الفرميونات المركبة ؛ وهي تتكون من إلكترونات مع عدد زوجي من الدوامات الكمومية المرتبطة بها.