Fermion to kategoria cząstek elementarnych, które są podstawowymi składnikami materii. Wiele fermionów jest bardzo małych i zwykle waży niewiele w porównaniu z makroskopowymi obiektami, choć ich masy mogą się znacznie różnić (np. kwark top jest bardzo ciężki). Fermiony tworzą atomy i jądra atomowe — elektrony poruszające się wokół jądra oraz protony i neutrony (same będące w większości cząstkami złożonymi z kwarków) są przykładami cząstek, które składają materię. Nazwa „fermion” pochodzi od nazwiska Paul Dirac i została nadana na cześć włoskiego fizyka Enrico Fermiego.

Spin i statystyka

Elektron (cząstka naładowana) jest fermionem, natomiast foton (cząstka promieniowania elektromagnetycznego) nie jest — foton jest bozonem. Fermiony mają spin równy wartościom półcałkowitym: 1/2, 3/2, 5/2 itd. Ponieważ ich spin nie jest liczbą całkowitą, fermiony podlegają statystyce Fermi–Diraca i realizują zasadę wykluczenia Pauliego, według której dwa fermiony nie mogą jednocześnie znajdować się w tym samym stanie kwantowym (obejmującym m.in. położenie, energię czy spin), jeśli mają te same liczby kwantowe. To ograniczenie leży u podstaw struktury materii — dzięki niemu elektrony w atomach układają się w powłoki, co pozwala tworzyć stabilne pierwiastki i związki chemiczne. W warunkach ekstremalnych (np. białe karły, gwiazdy neutronowe) degeneracja fermionów tworzy ciśnienie degeneracyjne, które przeciwstawia się grawitacji.

Leptony i kwarki

Najbardziej znane fermiony mają spin 1/2. Przykładem jest wspomniany elektron, który należy do grupy fermionów zwanych leptonami. Podstawowe fermiony (czyli takie, które według Modelu Standardowego nie są zbudowane z niczego innego) dzielą się na dwie główne klasy: kwarki oraz leptony. Istnieje 6 „smaków” kwarków oraz 6 leptów, uporządkowanych w trzy generacje. Do najczęściej stosowanych nazw należą:

  • Kwarki – górny (up), dolny (down), powabny (charm), dziwny (strange), top (top) i bottom (bottom)
  • Leptony – elektron, mion, taon oraz ich odpowiadające neutrina: neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe

Grupy te tworzą tzw. trzy generacje: (up, down) i (elektron, neutrino elektronowe) – pierwsza generacja; (charm, strange) i (mion, neutrino mionowe) – druga; (top, bottom) i (taon, neutrino taonowe) – trzecia. Pierwsza generacja to cząstki, z których zbudowane są zwykłe atomy i materia, natomiast cięższe generacje zwykle występują w warunkach wysokich energii i szybko rozpadają się na lżejsze.

Antycząstki i ładunki

Każdy z tych fermionów ma również związaną z nim antycząsteczkę, a więc łącznie 24 różne podstawowe fermiony (6 cząstek + 6 antycząstek dla kwarków i analogicznie dla leptonów). Antycząstka ma takie same właściwości jak cząstka pierwotna, poza przeciwstawnym ładunkiem elektrycznym i pewnymi innymi własnościami kwantowymi. W przypadku kwarków smaki up, charm i top mają ładunek +2/3 e, a ich antycząstki mają ładunek −2/3 e. Pozostałe kwarki (down, strange, bottom) mają ładunek −1/3 e, a ich antycząstki +1/3 e. Wszystkie leptony ładowane (elektron, mion, taon) mają ładunek −1 e, a ich antycząstki (np. antyelektron zwany pozytonem) mają ładunek +1 e. Neutrina i antyneutrina są elektrycznie obojętne (ładunek 0). Najważniejszą różnicą między fermionami o tym samym ładunku jest ich masa, która rozciąga się od praktycznie zerowej (dla bardzo lekkich neutrino, choć dziś wiemy, że mają one niezerową masę) po bardzo dużą (dla kwarka top).

Oddziaływania i role w przyrodzie

Fermiony uczestniczą w fundamentalnych oddziaływaniach: kwarki oddziałują silnie poprzez wymianę gluonów (barwa/„color” jest ich dodatkowym ładunkiem kwantowym), a leptony nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych. Zarówno kwarki, jak i leptony mogą oddziaływać elektromagnetycznie (jeśli mają ładunek), słabo (przez bozony W i Z) oraz grawitacyjnie. Z kwarków powstają hadrony: baryony (np. proton i neutron — trzy kwarki), które są fermionami, oraz mezony (kwark + antykwark), które są bosonami.

W układach wielu fermionów mogą pojawiać się efekty kolektywne: z par fermionów (np. elektronów) mogą powstawać pary Coopera, które zachowują się jak bozony i prowadzą do zjawiska nadprzewodnictwa. Statystyka Fermi–Diraca opisuje rozkład fermionów w stanach energetycznych i ma kluczowe znaczenie w fizyce ciała stałego, astrofizyce i fizyce jądrowej.

Rozszerzenia i uwagi

W modelach wykraczających poza Model Standardowy, takich jak supersymetria, każdy fermion ma hipotetycznego partnera bosonowego nazywanego „sfermionem” (skrót od scalar fermion). Z drugiej strony bozony (np. fotony) nie podlegają zasadzie wykluczenia i mogą występować w tym samym stanie kwantowym.

Podsumowując: fermiony to cząstki o półcałkowitym spinie, podstawowe składniki materii (kwarki i leptony), które dzięki zasadzie Pauliego oraz własnym oddziaływaniom determinują strukturę atomów, materii i wielu zjawisk fizycznych obserwowanych w przyrodzie.