Фермиони су честице које подлежу Паулијевом принципу искључења, што подразумева да у датом систему не постоје два идентична фермиона која се истовремено налазе у потпуно истом стању. Расподела фермиона у систему описана је Ферми-Дираковом статистиком, а таласна функција која описује кватно стање у ком се фермион може налазити је антисиметрична. Све елементарне честице се према спину могу поделити на фермионе и бозоне. Фермиони су честице чији спин има полуцелу вредност , а бозони су честице целог спина и описани су Бозе-Ајнштајновом статистиком и који су описани симетричном таласном функцијом.[1] Фермиони су назив добили по италијанском физичару Енрику Фермију.[2] Фермионске елементарне честице се деле на кваркове и лептоне. Најпознатија фермионска честица је електрон.

Стандардни модел елементарних честица, са баждареним бозонима у четвртој колони приказаној црвеном бојом
Антисиметрична таласна функција која описује стање два фермиона у бесконачној квадратној потенцијалној јами
Протон је грађен од два горња (u) кварка и једнога доњег (d) кварка. Одабир боја појединих кваркова је произвољан, али све три боје морају бити присутне. Јаке нуклеарне силе између кваркова посредоване су глуонима.
Преглед међуделовања између субатомских честица описаних стандардним моделом.
Неутрон је грађен од једног горњег (u) кварка и два доња (д) кварка. Јаку нуклеарну силу посредују глуони (таласи). Јака нуклеарна сила има три врсте набоја, црвено, зелено и плаво. Треба имати на уму да је избор плаве боје за горњи кварк произвољан; претпоставља се да „набој у боји” кружи између 3 кварка.
Електрична струја је усмерено кретање слободних електрона.
Употребом коморе на мехуриће први пут је откривен неутрино 13. децембра 1970. Неутрино је ударио протон у водониковом атому. Судари се виде на десној страни, где се секу 3 линије.
Низ протон-протон или p-p низ превладава код звезда величине нашег Сунца или мањих.

На пример спин је лептона и кваркова једнак броју 1/2. Они се подвргавају се Паулијевом начелу искључења. Честице сложене од непарног броја елементарних фермиона такође су фермиони (на пример протон, неутрон, атомска језгра трицијума ³H, језгра хелијума 3He, језгра угљеника 13C), а честице сачињене од парног броја фермиона су бозони (на пример језгра деутеријума 2H, језгра хелијума 4He, језгра угљеника 12C).[3] Сва позната материја данашњег свемира састављена је од фермиона: бариона и лептона.[4]

Фермион Знак Античестица Електрични набој Q/e Спин Маса мировања (MeV/c2)
електрон e- e+ -1 1/2 0,5
мион ν- ν+ -1 1/2 106
тауон τ- τ+ -1 1/2 1,78
електронски неутрино νe νe 0 1/2 < 2,2
мионски неутрино νμ νμ 0 1/2 < 1,7
тауски неутрино ντ ντ 0 1/2 < 15,5
протон p p +1 1/2 938,3
неутрон n n 0 1/2 939,6

Кваркови и лептониУреди

Детаљније: Кварк и Лептон

Занимљива је чињеница да попис свих елементарних честица које изграђују сву материју у свемиру једноставно стане на један лист папира. Према стандардном моделу тих елементарних честица има укупно 12. Оне су подијељене у две групе честица које се називају кваркови и лептони. Постоји 6 кваркова и 6 лептона (једним именом се називају фермиони).

Попис кваркова и лептона
Кваркови Лептони
Горњи (u – енг. up) Електрон (e-)
Доњи (d – енг. down) Електронски неутрино (𝜈𝑒)
Чаробни (c – енг. charm) Мион (𝜇)
Страни (s – енг. strange) Мионски неутрино (𝜈𝜇)
Вршни (t – енг. top) Тауон (𝜏)
Дубински (b – енг. bottom) Тау неутрино (𝜈𝜏)

Познато је да је електрон један од градитеља атома и честица која је одговорна за електричну струју у електричном проводнику. Електрон је елементарна честица што значи да нема унутрашњу подструктуру. Свих 12 честица у таблици горе сматрају се елементарним честицама. Изненађујуће је то да се протон и неутрон не спомињу у тој табели.

Сва материја сачињена је од атома, сваки атом је сачињен од негативно наелектрисаних електрона који круже око малог, тешке, позитивно наелектрисаног атомске језгре. С друге стране, језгра атома се састоји од протона, који имају позитиван електрични набој, и неутрона, који су без набоја. Ако је износ набоја протона исти као и код електрона (али супротног предзнака), неутрални атом садржи једнак број протона у језгру и електрона у орбити. Број неутрона је обично исти као и број протона, мада може бити мало другачији дајући тако различите изотопе атома.

Као што се пре веровало да је атом основна грађевна јединица материје, а затим је откривено да се састоји од још елементарнијих честица: електрона, протона и неутрона, исто тако се сада зна да протони и неутрони нису елементарне честице, али електрон је био и остао елементаран. Протони и неутрони су сачињени од комбинације горњих и доњих кваркова. Будући да имају унутрашњу подструктуру, не могу се сматрати елементарним честицама. Протон се састоји од два горња и једног доњег кварка, а неутрон од два доња и једног горњег кварка. То се може приказати на следећи начин:

 
 

Будући да протон носи електрични набој, неки од кваркова такође морају бити наелектрисани. Међутим, исти кваркови, само у другој комбинацији, постоје и унутар неутрона који је без набоја. Због тога се набоји кваркова морају сабрати у комбинацији која чини протон, а поништити у комбинацији која чини неутрон. Ако се означи набој горњег кварка са 𝑄𝑢 и набој доњег кварка са 𝑄𝑑, добија се следеће:

 
 

Ове две једначине су једноставне за решавање, узимајући у обзир да су набоји горњег и доњег кварка редом:

 
 

Треба само напоменути да је у горњим једначинама кориштен договор која поставља да набој протона износи +1, док у стандардним јединицама приближно износи 1,6∙10−19 C (кулон). Овај набој протона назива се још и елементарним набојем и означава се словом 𝑒.

До открића кваркова, физичари су сматрали да електрични набој може бити само целобројни умножак елементарног набоја. Тако електрон има електрични набој −𝑒, преотон +𝑒, језгро хелијума +2𝑒 и тако даље. Кваркови, зависно од врсте, имају само део елементарног набоја: +2/3𝑒 или −1/3𝑒. Али, будући да кваркови не постоје самостално, већ долазе увек у комбинацији два или три кварка, у природи никад није запажено постојање честице с набојем мањим од једног елементарног набоја. Честице састављене од 3 кварка називају се барионима, док се мезонима називају честице које се састоје од парног броја кваркова и антикваркова. У доњој таблици, која показује начин на који су кваркови груписани у генерације, сви кваркови у првом ретку имају набој +2/3, а у другом ретку −1/3. Ово груписање кваркова у генерације строго прати поредак којим су кваркови откривени.

Кварковска генерација
Прва генерација Друга генерација Трећа генерација
+𝟐/𝟑 Горњи (u) Чаробни (c) Вршни (t)
-1/𝟑 Доњи (d) Страни (s) Дубински (b)

Сва материја у свемиру састоји се од атома, дакле од протона и неутрона, стога су горњи и доњи кваркови највише заступљени кваркови у свемиру. Остали кваркови су пуно масивнији (маса кваркова расте како се иде од прве према другој и трећој генерацији) и пуно рјеђи. Међутим, раније у еволуцији свемира материја је била далеко енергичнија, стога су масивнији кваркови били много чешћи и имали су значајну улогу у реакцијама које су се догодиле.

Од лептона најпознатији је електрон, стога су лептони највише и проучавани будући да се својства електрона оглегају у миону и тауону. Ова три лептона имају исти електрични набој и мало тога, осим масе, разликује електрон од миона и тауона. Једина очита разлика је у томе што се мион и тауон могу распадати на друге честице (из прве и друге генерације лептона и њихове античестице), док је електрон стабилна честица.

Доња таблица приказује груписање лептона у 3 генерације. Исто као и код кваркова, маса лептона се повећава како се иде према вишој генерацији, барем што се тиче првог реда у таблици.

Остала 3 лептона се називају неутрини, јер су електрично неутрални. Треба напоменути да није исто рећи, на пример, да је неутрон без набоја и да је неутрон неутралан. Неутрон се састоји од 3 кварка и сваки од њих носи електрични набој који се у коначном збиру поништи. Неутрини, за разлику од неутрона, су елементарне честице. Као такве нису грађене од других елементарнијих компоненти – они су истински неутрални. Стога, да би се разликовале такве честице од оних којима се набоји компоненти поништавају, може се рећи за неутрине (и сличне честице) да су неутрални, а за неутроне (и честице сличне њима) да су без набоја. Према стандардном моделу сматра се да су неутрини честице без масе, иако резултати експеримента Супер-Камиоканде (М. Кошиба) у Јапану дају назнаку да би неутрини ипак могли имати изузетно малу, али коначну масу. Будући да су неутрини без масе и неутрални, то им ускраћује било какво физичко постојање. Међутим, неутрини имају енергију и та их енергија чини стварнима.

Лептонска генерација
Прва генерација Друга генерација Трећа генерација
−𝟏 Електрон (𝑒) Мион (𝜇) Тауон (𝜏)
𝟎 Електронски неутрино (𝜈𝑒) Мионски неутрино (𝜈𝜇) Тау неутрино (𝜈𝜏)

Лептони, за разлику од кваркова, постоје у природи као засебне честице. Доња таблица показује где је све могуће наћи лептони у природи. Електрон је врло позната честица и његова својства су успостављена у основама физике. Његов партнер, електронски неутрино, је мање познат али једнако чест у природи. У великом броју га производе неки радиоактивни процеси и средишња језгра нуклеарних реактора, док је Сунце највећи произвођач. Приближно 1012 електронских неутрина прође кроз наше тело сваке секунде, већина настала у нуклеарним реакцијама које се одвијају у језгру Сунца. Будући да јако ретко међуделују с материјом велики број неутрина који прође кроз наше тело не чини никакву штету.

Лептони друге генерације су ређи, али се могу наћи у природи. Мионе је лако произвести у лабораторијским експериментима. Осим по маси, врло су слични електронима. Због велике масе су нестабилни, те се распадају на електроне и неутрина. Једноставно се могу проматрати у експериментима са космичким зрацима.

Присутност лептона у природи
Прва генерација Друга генерација Трећа генерација
Електрон:
- налази се у атомима;
- важан у електричној струји;
- настаје бета-распадом.
Мион:
- настаје у великом броју
ударом космичких зрака
о горње слојеве атмосфере.
Тауон:
- до сада виђен само
у лабораторијама.
Електронски неутрино:
- настаје бета-распадом.
Мионски неутрино:
- настаје у нуклеарним реакторима,
- настаје ударом космичких зрака
о горње слојеве атмосфере.
Тау неутрино:
- до сада виђен само
у лабораторијама.

Чланови треће генерације нису виђени у никаквим природним процесима, барем не у овом стадију еволуције свемира. Много раније, када је свемир био топлији и када су честице имале далеко више енергије, лептони треће генерације су често настајали у природним реакцијама. То је међутим било пре неколико милијарди година. Данас се тауон може посматрати само у лабораторијским огледима, док тау неутрино није директно виђен у експериментима већ се његово присуство може закључити из одређених реакција.[5]

Види јошУреди

РеференцеУреди

  1. ^ Weiner, Richard M. (4. 3. 2013). „Spin-statistics-quantum number connection and supersymmetry”. Physical Review D. 87 (5): 055003—05. Bibcode:2013PhRvD..87e5003W. ISSN 1550-7998. S2CID 118571314. arXiv:1302.0969 . doi:10.1103/physrevd.87.055003. 
  2. ^ Notes on Dirac's lecture Developments in Atomic Theory at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. See note 64 on page 331 in "The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom" by Graham Farmelo
  3. ^ Fermion, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, pristupljeno 3. veljače 2020.
  4. ^ T. Morii; C. S. Lim; S. N. Mukherjee (1. 1. 2004). The Physics of the Standard Model and Beyond. World Scientific. ISBN 978-981-279-560-1. 
  5. ^ Svetlana Veselinović: "Elementarne čestice", [2], završni rad, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Osijek 2014., pristupljeno 27. siječnja 2020.

ЛитератураУреди

Спољашње взеУреди