Fermion nima

Fermion
Fermion
Tarkibi	ham fundamental zarracha, ham tarkibiy zarracha (jumladan, kvazizarracha)
Tasnifi	fundamental fermionlar: kvarklar va leptonlar. Elementar zarrachalar: leptonlar va barionlar
Quyidagi o‘zaro ta’sirlarda ishtirok etadi	Gravitatsion, kuchsiz
Kim yoki nima sharafiga nomlangan	Enriko Fermi
Kvant sonlari
Spin	yarim butun ħ
	Vikimedia omboridagi mediafayllar

Fermion — zarracha yoki kvazizarracha bo‘lib, uning spini yarim butun qiymatga ega (ya’ni $(n+1/2)\hbar$ , bu yerda $n$ — butun son, $\hbar$ — keltirilgan Plank doimiysi). Barcha zarrachalarni spin qiymatiga qarab ikki guruhga ajratish mumkin: butun spinli zarrachalar bozonlarga, yarim butun spinlilar esa fermionlarga kiradi.

Fermionlarga misollar: kvarklar (ular protonlar va neytronlarni hosil qiladi; bular ham fermion hisoblanadi), leptonlar (elektronlar, myuonlar, tau-leptonlar, neytrinolar), kovaklar (kvazizarrachalar bo‘lib, ular yarimo‘tkazgichda uchraydi). Toq sondagi fermionlardan (va istalgan sondagi bozonlardan) tashkil topgan kvant-mexanik tizimlar ham fermion hisoblanadi.

Fermionlar Pauli prinsipiga bo‘ysunadi; bir xil fermionlar tizimining to‘lqin funksiyasi istalgan ikkita fermion o‘rni almashganda ishorasini o‘zgartiradi. Bunday tizimning termodinamik muvozanat holati Fermi — Dirak statistikasi bilan tavsiflanadi; bu ularning nomlanishiga ham asos bo‘lgan. «Fermion» atamasini ingliz nazariyotchi fizigi Pol Dirak italiyalik fizik Enriko Fermi familiyasidan olib fanga kiritgan; Dirak «bozon» va «fermion» atamalarini ilk bor 6-dekabr 1945-yil, seshanba kuni Parijdagi ilmiy muzeyda «Atom nazariyasining rivojlanishi» nomli ma’ruza o‘qiyotganida ishlatgan. Bu muzeyning nomi — «Kashfiyotlar saroyi».

Fermionlarning xossalari

Fermionlar bozonlardan farqli ravishda Fermi — Dirak statistikasiga bo‘ysunadi: bitta kvant holatida ko‘pi bilan bitta zarracha bo‘lishi mumkin (Pauli prinsipi).

Pauli taqiqlash prinsipi atomlarning elektron qobiqlari barqarorligini ta’minlaydi va murakkab kimyoviy elementlarning mavjud bo‘lishiga imkon yaratadi. Shuningdek, u katta bosim ostida aynigan modda mavjud bo‘lishiga imkon beradi (neytron yulduzlar).

Bir xil fermionlar tizimining to‘lqin funksiyasi istalgan ikkita fermionning o‘rni almashishiga nisbatan antisimmetrikdir.

Tarkibida toq sondagi fermionlar mavjud bo‘lgan kvant tizimining o‘zi ham fermion hisoblanadi. Masalan, yadroning massa soni A toq bo‘lsa (chunki nuklonlar — protonlar va neytronlar — fermionlardir, massa soni esa yadrodagi nuklonlarning umumiy soniga teng); shuningdek, elektronlar soni bilan yadro massa sonining yig‘indisi toq bo‘lgan atom yoki ion ham fermiondir (chunki elektronlar ham fermion bo‘lib, atom yoki iondagi jami fermionlar soni yadrodagi nuklonlar va elektron qobig‘idagi elektronlar sonining yig‘indisiga teng). Bunda kvant tizimini tashkil etuvchi zarrachalarning orbital impuls momentlari tizimni fermion yoki bozon sifatida tasniflashga ta’sir qilmaydi. Sababi barcha orbital impuls momentlari butun qiymatli bo‘lib, ularni tizim spiniga istalgan kombinatsiyada qo‘shish toq sondagi fermionlarning umumiy yarim butun spinini butun spinga aylantira olmaydi. Juft sondagi fermionlardan tashkil topgan tizim bozon hisoblanadi: uning umumiy spini doimo butun bo‘ladi. Masalan, geliy-3 atomi ikki proton, bir neytron va ikki elektrondan (jami beshta fermiondan) iborat bo‘lgani uchun fermion hisoblanadi, litiy-7 atomi (uch proton, to‘rt neytron, uch elektron) esa bozondir. Neytral atomlarda elektronlar soni protonlar soniga teng, ya’ni elektronlar va protonlar sonining yig‘indisi doimo juft bo‘ladi. Shu bois neytral atomning bozon yoki fermion sifatida tasniflanishi amalda uning yadrosidagi neytronlar sonining juft yoki toqligiga bog‘liq.

Fundamental fermionlar

Hozirgi kunda ma’lum bo‘lgan barcha fundamental zarrachalar hisoblangan fermionlar (ya’ni kvarklar va leptonlar) 1/2 spinga ega, tarkibiy fermionlar (barionlar, atom yadrolari, atomlar va shunga o‘xshash kvant tizimlari) esa 1/2, 3/2, 5/2 va hokazo spinga ega bo‘lishi mumkin.

Matematik jihatdan 1/2 spinli fermionlar uch turga bo‘linadi:

Veyl fermionlari (massasiz),
Dirak fermionlari (massali) va
Majorana fermionlari (o‘z antizarrachasi bilan aynan bir xil).

Hozirgi tasavvurga ko‘ra, Standart modeldagi fermionlarning aksariyati Dirak fermionlari deb hisoblanadi. Biroq hozircha neytrinolar Dirak fermionlarimi yoki Majorana fermionlarimi (yoxud ikkala turga ham mansubmi), noma’lum. Dirak fermionlarini ikki Veyl fermionining superpozitsiyasi^{[aniqlashtirish]} sifatida qarash mumkin. 2015-yil iyul oyida Veyl fermionlari tajribada kvazizarrachalar sifatida hosil qilindi. Ularning paydo bo‘lishiga sharoit yaratgan material — Veyl yarimmetallari^[ingl.].

Standart modelga ko‘ra, elementar fermionlarning 12 ta turi (flavori) mavjud: oltita kvark va oltita lepton.

Kvarklar rang zaryadiga ega bo‘lib, kuchli o‘zaro ta’sirda ishtirok etadi. Ularning antizarrachalari antikvarklar deb ataladi. Kvarklarning oltita flavori mavjud (har bir avlodda 2 tadan):

	Kvark/antikvark nomi yoki flavori	Kvark/antikvark belgisi	Massasi (MeV)	Kvark/antikvark nomi yoki flavori	Kvark/antikvark belgisi	Massasi (MeV)
Avlod	Zaryadi (+2/3) bo‘lgan kvarklar, birlik: e			Zaryadi (−1/3) bo‘lgan kvarklar, birlik: e
1	u-kvark (up-kvark) / anti-u-kvark	$u/\,{\overline {u}}$	1,5 dan 3 gacha	d-kvark (down-kvark) / anti-d-kvark	$d/\,{\overline {d}}$	4,79±0,07
2	c-kvark (charm-kvark) / anti-c-kvark	$c/\,{\overline {c}}$	1250 ± 90	s-kvark (strange-kvark) / anti-s-kvark	$s/\,{\overline {s}}$	95 ± 25
3	t-kvark (top-kvark) / anti-t-kvark	$t/\,{\overline {t}}$	174 340 ± 790	b-kvark (bottom-kvark) / anti-b-kvark	$b/\,{\overline {b}}$	4200 ± 70

Barcha kvarklar elektr zaryadiga ham ega. Bu zaryad 1/3 elementar zaryadga karrali. Har bir avlodda bitta kvarkning elektr zaryadi +2/3 (bular u-, c- va t-kvarklar), ikkinchisiniki esa −1/3 (d-, s- va b-kvarklar) bo‘ladi; antikvarklarning zaryadlari esa qarama-qarshi ishoralidir. Kvarklar kuchli va elektromagnit o‘zaro ta’sirlardan tashqari, kuchsiz o‘zaro ta’sirda ham qatnashadi.

Leptonlar kuchli o‘zaro ta’sirda qatnashmaydi. Ularning antizarrachalari antileptonlar deyiladi (elektronning antizarrasi tarixiy sabablarga ko‘ra pozitron deb ataladi). Leptonlarning oltita flavori mavjud:

	Nomi	Belgisi	Elektr zaryadi (e)	Massasi (MeV)	Nomi	Belgisi	Elektr zaryadi (e)	Massasi (MeV)
Avlod	Zaryadlangan lepton / antizarracha				Neytrino / antineytrino
1	Elektron / Pozitron	$e^{-}\,/\,e^{+}$	−1 / +1	0,511	Elektron neytrinosi / elektron antineytrinosi	$\nu _{e}\,/\,{\overline {\nu }}_{e}$	0	< 0,0000022
2	Myuon	$\mu ^{-}\,/\,\mu ^{+}$	−1 / +1	105,66	Myuon neytrinosi / myuon antineytrinosi	$\nu _{\mu }\,/\,{\overline {\nu }}_{\mu }$	0	< 0,17
3	Tau-lepton	$\tau ^{-}\,/\,\tau ^{+}$	−1 / +1	1776,99	Tau-neytrino / tau-antineytrino	$\nu _{\tau }\,/\,{\overline {\nu }}_{\tau }$	0	< 15,5

Neytrinolarning massasi nolga teng emas (buni neytrino ossillyatsiyalari mavjudligi tasdiqlaydi), ammo shu qadar kichikki, 2022-yil holatiga ko‘ra ular hali bevosita o‘lchanmagan edi.

Kvazizarrachalar

Kvazizarrachalar ham spinga ega bo‘lib, shu sababli fermionlar va bozonlar sifatida tasniflanishi mumkin. Fermion turidagi kvazizarrachalarga polyaron va kovak misol bo‘ladi. Elektron ham kvazizarracha sifatida ko‘rilganda shu guruhga kiradi, chunki qattiq jismdagi uning effektiv massasi vakuumdagi massasidan farq qiladi.

Havolalar

Fermion // Fizika ensiklopediyasi : [5 jildda] / Bosh muharrir A. M. Proxorov. — M.: Katta Rossiya ensiklopediyasi, 1999. — 5-jild: Stroboskopik asboblar — Yorqinlik. — B. 284. — 692 b. — 20 000 nusxa — ISBN 5-85270-101-7.