페르미온 - Fermion

페르미온 - Fermion

페르미온 - Fermion

입자물리학에서 페르미온(Permion)은 페르미-디락 통계를 따르는 입자로 일반적으로 절반의 홀수 정수 스핀 1/2, 3/2 등을 가지고 있다. 이 입자들은 Pauli 제외 원칙을 따른다. 페르미온은 모든 쿼크와 렙톤을 포함하며, 모든 바이론과 많은 원자 및 핵과 같은 홀수 숫자로 이루어진 모든 복합 입자를 포함한다. 페르미온은 보스-아인슈타인 통계에 따르는 보손과 다르다.


어떤 페르미온들은 전자와 같은 기본적인 입자들이고, 어떤 것들은 양성자와 같은 복합적인 입자들이다. 어떤 합리적인 상대론적 양자장 이론에서 스핀통계학적 정리에 따르면 정수 스핀을 가진 입자는 보손이고, 반정수 스핀을 가진 입자는 페르미온이다. 회전 특성 외에도 페르미온은 또 다른 특정 특성을 가지고 있다. 그들은 보존된 바리온이나 렙톤 양자수를 가지고 있다. 따라서 일반적으로 스핀 통계 관계라고 하는 것은 사실상 스핀 통계량과 수량 수 관계다.


파울리 배타 원리의 결과, 페르미온 한 마리만이 주어진 시간에 특정 양자 상태를 차지할 수 있다. 여러 페르미온이 동일한 공간 확률 분포를 갖는 경우, 각 페르미온의 회전과 같이 적어도 하나의 특성이 달라야 한다. 페르미온은 보통 물질과 연관되어 있는 반면, 보손은 일반적으로 힘 전달 입자인데, 입자 물리학의 현재 상태에서는 두 개념의 구분이 불분명하다. 약하게 상호작용하는 페르미온도 극한 조건하에서 보소닉 행동을 보일 수 있다. 저온에서 페르미온은 무충전 입자에 대한 초유체성과 충전된 입자에 대한 초전도성을 나타낸다. 양성자와 중성자와 같은 복합 페르미온은 일상 물질의 주요 구성 요소다. 페르미온이라는 이름은 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미의 성에서 나온 영국의 이론 물리학자 폴 디라크에 의해 만들어졌다.


합성페르미온

합성 입자(하드론, 핵, 원자 등)는 그 성분에 따라 보손이나 페르미온이 될 수 있다. 더 정확히 말하면, 스핀과 통계 사이의 관계 때문에, 홀수 수의 페르미온을 포함하는 입자는 그 자체로 페르미온이다. 그것은 반정수의 스핀을 가질 것이다.

예를 들면 다음과 같다.

  • 양성자나 중성자와 같은 바론은 페르미온 쿼크 3개를 포함하고 있어 페르미온이다.
  • 탄소-13 원자의 핵은 6개의 양성자와 7개의 중성자를 포함하고 있으며 따라서 페르미온이다.
  • 원자 헬륨-3(3He)는 양성자 2개와 중성자 1개, 전자 2개로 이루어져 있어 페르미온이다. 또한 중수소 원자는 양성자 1개, 중성자 1개, 전자 1개로 이루어져 있어 페르미온이기도 하다.

전위와 결합한 단순한 입자로 이루어진 합성 입자 내의 보손 수는 보손인지 페르미온인지에 영향을 미치지 않는다. 합성 입자(또는 시스템)의 페르미온 또는 보스닉 거동은 (계통의 크기에 비해) 큰 거리에서만 볼 수 있다. 공간 구조가 중요해지기 시작하는 근접한 곳에서 복합 입자(또는 시스템)는 그 구성성분 구성에 따라 작용한다.


페르미온들은 쌍으로 느슨하게 묶였을 때 두상적인 행동을 보일 수 있다. 이것이 초전도성과 헬륨-3의 초유동성의 기원이다. 초전도 물질에서는 전자가 음핵의 교환을 통해 상호 작용하여 쿠퍼 쌍을 형성하고 헬륨-3에서는 스핀 변동을 통해 쿠퍼 쌍을 형성한다. 분수 양자 홀 효과의 퀘이파르티클은 또한 복합 페르미온이라고도 알려져 있는데, 이것은 정량화된 vorticle의 짝수가 붙어 있는 전자다.

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