Fermioiden

Fermioiden (fermions) ovat hiukkasia, joiden spin on puoli-integer ja jotka noudattavat Pauli-estoa sekä Fermi-Dirac-tilastoja. Tämä tarkoittaa, että kaksi identtistä fermionia ei voi olla samassa kvanttitilassa, ja tilojen jakautuminen määräytyy Fermi-Dirac-tilastojen mukaan.

Fermioita voidaan jakaa perusfysiikan hiukkasiin (fundamentals) kuten quarks ja leptons sekä niiden muodostamiin kokonaisuuksiin kuten baryonit. Baryonit, kuten protoni ja neutroni, koostuvat kolmesta quarkista ja ovat fermioita. Quarks ovat perusfysiikan hiukkasia, joilla on väri-varsinainen ominaisuus ja jotka osallistuvat voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Leptoneja ovat elektronit, muonit, tauon ja neutriinot; ne eivät koe voimakasta vuorovaikutusta. Mesonit ovat quark-anti-quark -parien muodostamia hiukkasia ja ne ovat tyypillisesti bosoneja, eivätkä fermioita.

Spin- ja tilastolliset ominaisuudet vaikuttavat aineen rakenteeseen: Fermi-Dirac-tilastot määrittävät, miten fermioiden tilat jakautuvat energiatasoilla, ja Pauli-esto johtaa elektronien kerrostumiseen atomeissa sekä tiheässä aineessa esiintyviin ominaisuuksiin.

Fermioilla on keskeinen rooli Standardimallissa: ne muodostavat kaiken näkyvän aineen ja osallistuvat elektromagneettisiin, heikkoihin ja vahvoihin vuorovaikutuksiin erikokoisissa kombinaatioissa. Quarkit kokevat vahvan vuorovaikutuksen sekä elektromagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen; leptoneilla on sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus, kun taas neutriinot ovat vuorovaikutuksessa lähinnä heikon vuorovaikutuksen kautta.

Antifermionit ovat fermioiden vastineita; niillä on sama massa mutta vastakkaiset epävaraukselliset ominaisuudet. Kun fermio ja antifermio kohtaavat, ne voivat annihiloitua.