Un fermión es una partícula elemental de espín semientero.
Un fermión es un tipo de partícula elemental de espín semientero, tal como los quarks y los leptones. El electrón, el protón y el neutrón también son fermiones, y forman la materia tal como la conocemos, ya que son los constituyentes básicos de los átomos.
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ResumenPropiedades fundamentales
Estadística de Fermi-Dirac
Un marco teórico utilizado en la mecánica cuántica para describir el comportamiento de partículas idénticas e indistinguibles, conocidas como fermiones. Esta estadística fue desarrollada por Enrico Fermi y Paul Dirac en la década de 1920. Se aplica principalmente a partículas que tienen espín semientero, como los electrones, protones y neutrones.
Pauli, principio de exclusión
Una consecuencia directa de la estadística de Fermi-Dirac. Establece que dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente. En otras palabras, no puede haber dos fermiones en el mismo lugar con el mismo espín y los mismos números cuánticos.
Espín
Una propiedad intrínseca de las partículas subatómicas que se relaciona con su momento angular intrínseco. Las que tienen espín semientero, como los fermiones, obedecen la estadística de Fermi-Dirac, mientras que las de espín entero, como el bosón, obedecen la estadística de Bose-Einstein.
Esta última predice el fenómeno de los condensados de Bose-Einstein, el colapso de un conjunto de bosones enfriados al extremo. La propiedad de mitad-entero del espín significa que sus valores son de 1/2, 3/2, etc. Esto contrasta con los bosones, que tienen valores de espín enteros como 0, 1, 2, etc.
Antipartículas
Las contrapartes de las partículas ordinarias, pero con carga eléctrica y otras propiedades opuestas. Por ejemplo, el antielectrón (también conocido como positrón) es la antipartícula del electrón. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, pueden aniquilarse y convertirse en energía, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = mc2.
Simetría CPT
Una propiedad fundamental que establece que las leyes de la física son invariantes bajo la combinación de tres transformaciones: la inversión de carga (C), la inversión de paridad (P) y la inversión temporal (T). Esta simetría implica que las leyes de la física son las mismas para una partícula y su antipartícula, así como para el proceso que ocurre hacia adelante en el tiempo y su inverso.
La simetría CPT es una de las ideas fundamentales en la teoría cuántica de campos y ha sido ampliamente confirmada por diversos experimentos.
El principio de exclusión de Pauli y la simetrí CPT son algunas de las propiedades fundamentales del fermión.
Leptones
Los leptones son una clase de partículas subatómicas que no están compuestas por otras más pequeñas. Junto con los quarks, los leptones son los constituyentes básicos de la materia según el modelo estándar de la física de partículas. Son fermiones y obedecen la estadística de Fermi-Dirac.
Los cuatro tipos de leptones conocidos son el electrón, el muon, el tauón y sus correspondientes neutrinos asociados: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. Cada uno tiene una carga eléctrica elemental de -1 (para los leptones cargados, es decir, el electrón, el muon y el tauón) o 0 (para los neutrinos).
Electrón
El leptón más conocido. Tiene una carga eléctrica de -1 y es comúnmente encontrado en los átomos, orbitando alrededor del núcleo atómico.
Neutrino
Partículas neutras y muy poco masivas que interactúan débilmente con la materia. Una característica interesante de los neutrinos es su capacidad para cambiar de un tipo a otro a medida que viajan a través del espacio, un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.
Muon
Una partícula similar al electrón pero con una masa aproximadamente 200 veces mayor. Se forma en procesos de decaimiento de partículas más masivas, como los piones, y se desintegra rápidamente en electrones y neutrinos.
Tauón
El leptón más masivo de los tres. Su masa es aproximadamente 3500 veces mayor que la del electrón. Al igual que el muon, el tauón es inestable y se desintegra rápidamente en partículas más ligeras, incluidos electrones y neutrinos.
Los neutrinos han sido objeto de intensa investigación en los últimos años. Por ejemplo, los experimentos de neutrinos en hielo, como IceCube, utilizan grandes volúmenes de hielo antártico para detectar neutrinos cósmicos de alta energía, proporcionando información sobre fenómenos astrofísicos extremos, como supernovas y agujeros negros. Además, la oscilación de neutrinos ha sido observada y medida en experimentos como Super-Kamiokande, confirmando la idea de que estas partículas tienen masa y pueden cambiar de un tipo a otro mientras viajan a través del espacio.
Quarks
Los quarks son partículas elementales que componen el hadrón, incluidos el protón y el neutrón, que a su vez forman los núcleos atómicos. Son fermiones y están clasificados como constituyentes fundamentales de la materia.
Existen seis tipos diferentes de quarks, cada uno con una carga de color que puede ser roja, verde o azul, o su anticolor correspondiente (antirrojo, antiverde o antiazul). Son las únicas partículas conocidas que experimentan la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, mediada por partículas llamadas gluones, que también llevan carga de color. Debido a esta interacción, los quarks están confinados dentro de los hadrones y nunca se observan de forma aislada.
Los quarks también experimentan la interacción débil, mediada por partículas portadoras de fuerza llamadas bosones W y Z, que es responsable de algún tipo de decaimiento radioactivo, como el decaimiento beta.
Finalmente, los quarks experimentan la interacción gravitatoria, que es la fuerza más débil de todas las interacciones fundamentales. Sin embargo, en el ámbito de las partículas subatómicas y las interacciones nucleares, la gravedad es generalmente insignificante en comparación con las otras fuerzas y se puede ignorar en la mayoría de los casos.
Los fermiones peuden presentarse como partícula o como onda, dependiendo de la situación.
Aspectos cuánticos y teóricos
Los fermiones exhiben una serie de fenómenos cuánticos y teóricos fascinantes que han sido ampliamente estudiados.
Dualidad onda-partícula
En ciertas situaciones, los fermiones pueden exhibir tanto propiedades de partícula (posición, momento definidos) como propiedades de onda (interferencia, difracción). Esta dualidad es una característica fundamental de la mecánica cuántica y se manifiesta en experimentos como el de la doble rendija.
Efecto túnel cuántico
Los fermiones pueden atravesar barreras de potencial que clásicamente serían impenetrables. Este efecto se debe a la naturaleza probabilística de las funciones de onda cuánticas y tiene aplicaciones en diversos campos, como la física de semiconductores y la electrónica cuántica.
Efecto hall cuántico
Un fenómeno cuántico que ocurre cuando se aplica un campo magnético perpendicular a una corriente eléctrica en un material conductor bidimensional. Los fermiones en el material exhiben una resistencia eléctrica cuantizada, lo que lleva a una serie de mesetas en el diagrama de Hall en función del campo magnético aplicado. Este efecto es una manifestación de las propiedades topológicas de los fermiones y tiene importantes aplicaciones en la metrología y la electrónica cuántica.
Efecto de entrelazamiento cuántico
El estado de un fermión está intrínsecamente vinculado al de otro, incluso si están separados por grandes distancias. Este fenómeno, predicho por la mecánica cuántica, ha sido verificado experimentalmente y tiene implicaciones fundamentales en la teoría de la información cuántica y la criptografía cuántica.
Supersimetría
Una simetría teórica que propone que cada partícula fermiónica tiene una contraparte bosónica y viceversa. La supersimetría es una idea fundamental en la teoría de la física de partículas más allá del modelo estándar y se ha explorado a través de experimentos de alta energía como el Gran colisionador de hadrones (LHC).
Teoría de cuerdas
Un marco teórico que describe las partículas fundamentales como vibraciones de cuerdas unidimensionales en lugar de puntos sin dimensión. Es una teoría cuántica de la gravedad que busca unificar todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza y es uno de los enfoques más prometedores para la física más allá del modelo estándar.
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