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素粒子物理学において、フェルミオンはフェルミ・ディラック統計に従う素粒子である。フェルミオンは半整数スピン（スピン 1/2、スピン 3/2 など）を持ち、パウリの排他原理に従う。これらの粒子には、すべてのクォークとレプトン、およびこれらの奇数個からなるすべての複合粒子（すべてのバリオン、多くの原子、原子核など）が含まれる。フェルミオンは、ボーズ・アインシュタイン統計に従うボソンとは異なる。
フェルミオンの中には、素粒子（電子など）と複合粒子（陽子など）が存在する。例えば、相対論的量子場理論におけるスピン統計定理によれば、整数スピンを持つ粒子はボソンである。一方、半整数スピンを持つ粒子はフェルミオンである。
スピン特性に加えて、フェルミオンにはもう1つの特別な性質があります。それは、保存されるバリオン量子数またはレプトン量子数を持つということです。したがって、通常スピン統計関係と呼ばれるものは、実際にはスピン統計と量子数の関係です。[ 1 ]
パウリの排他原理の結果として、特定の量子状態を一度に占有できるフェルミオンは 1 つだけです。複数のフェルミオンが同じ空間確率分布を持つと仮定すると、各フェルミオンのスピンなどの少なくとも 1 つの特性が異なっている必要があります。フェルミオンは通常物質に関連付けられますが、ボソンは一般的に力の伝達粒子です。しかし、素粒子物理学の現状では、この 2 つの概念の区別は明確ではありません。弱く相互作用するフェルミオンも、極限条件下ではボソン的な振る舞いを示すことがあります。たとえば、低温では、フェルミオンは、電荷を持たない粒子では超流動性を示し、電荷を持つ粒子では超伝導性を示します。
陽子や中性子などの複合フェルミオンは、日常的な物質の重要な構成要素である。
イギリスの理論物理学者ポール・ディラックは、イタリアの物理学者エンリコ・フェルミの姓からフェルミオンという名前を造語した。[ 2 ]
標準模型では、素粒子フェルミオンとしてクォークとレプトンの2種類が認識されています。この模型では、合計24 種類のフェルミオンが区別されています。クォークは6種類（アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップ）、レプトンも6種類（電子、電子ニュートリノ、ミューオン、ミューニュートリノ、タウ、タウニュートリノ）あり、それぞれに対応する反粒子も存在します。
数学的には、フェルミオンには多くの種類があり、最も一般的な3つのタイプは以下のとおりです。
標準模型のフェルミオンのほとんどはディラックフェルミオンであると考えられているが、ニュートリノがディラックフェルミオンかマヨラナフェルミオンか（あるいは両方か）は現時点では不明である。ディラックフェルミオンは2つのワイルフェルミオンの組み合わせとして扱うことができる。[ 3 ]： 106 2015年7月、ワイルフェルミオンはワイル半金属で実験的に実現された。
複合粒子（ハドロン、原子核、原子など）は、構成要素によってボソンにもフェルミオンにもなり得る。より正確には、スピンと統計の関係から、奇数個のフェルミオンを含む粒子はそれ自体がフェルミオンとなる。そのスピンは半整数となる。ポテンシャルで結合した単純粒子からなる複合粒子の場合、ボソンの数はそれがボソンかフェルミオンかには影響しない。
例としては、以下のようなものがあります。
複合粒子のフェルミオン的またはボソン的な振る舞いは、構成粒子が互いに遠く離れている場合にのみ観察される。粒子が接近すると、空間構造が重要になり、複合粒子は構成粒子の性質に応じて振る舞うようになる。
フェルミオンは、ペアを形成するとボソン的な振る舞いを示すことがある。これが超伝導とヘリウム3の超流動性の起源である。超伝導体では、電子はフォノンの交換を介して相互作用し、クーパー対を形成する。一方、ヘリウム3では、原子はスピンのゆらぎを介して相互作用し、ペアを形成する。