フェルミオン

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。フェルミオンは半奇整数スピン（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、およびすべての重粒子や多くの原子と原子核など、これらの奇数個からなるすべての複合粒子が含まれる。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。

フェルミオンには素粒子（電子など）もあれば、複合粒子（陽子など）もあります。例えば、相対論的量子場理論の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す。対照的に、半整数スピンを持つ粒子はフェルミオンです。

スピン特性に加えて、フェルミオンには別の特殊な性質があります。それは、保存された重粒子またはレプトンの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-量子数関係です。^[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めることができるのは 1 つのフェルミオンだけです。複数のフェルミオンが同じ空間確率分布を持っていると仮定すると、各フェルミオンの少なくとも 1 つの特性 (スピンなど) は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​​般に力の運搬粒子です。ただし、現在の素粒子物理学では、この 2 つの概念の違いは明確ではありません。弱く相互作用するフェルミオンは、極端な条件下ではボソンの挙動を示すこともあります。たとえば、低温では、フェルミオンは荷電していない粒子に対しては超流動を示し、荷電した粒子に対しては 超伝導を示します。

陽子や中性子などの複合フェルミオンは、日常の物質の重要な構成要素です。

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・フェルミの姓にちなんでフェルミオンという名前を作った。^[2]

標準モデルでは、クォークとレプトンという 2 種類の基本的なフェルミオンが認識されています。このモデルでは、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、タウオン、タウオンニュートリノ) あり、それぞれに 対応する反粒子もあります。

数学的には、フェルミオンには多くの種類がありますが、最も一般的な 3 つのタイプは次のとおりです。

• ワイル粒子（質量なし）、
• ディラックフェルミオン（質量あり）、および
• マヨラナフェルミオン（それぞれ独自の反粒子）。

標準モデル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ますが、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（あるいはその両方）であるかは現時点では不明です。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ます。^{[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ました。

複合粒子（ハドロン、原子核、原子など）は、その構成要素に応じてボソンまたはフェルミオンになります。より正確には、スピンと統計の関係により、奇数のフェルミオンを含む粒子は、それ自体がフェルミオンです。そのスピンは半整数になります。

例としては次のようなものがあります。

• 陽子や中性子などの重粒子には、3 つのフェルミオン クォークが含まれています。
• 炭素 13原子の核には6 個の陽子と 7 個の中性子が含まれています。
• ヘリウム 3 ( ³ He)原子は、2 つの陽子、1 つの中性子、および 2 つの電子で構成されています。重水素原子は、1 つの陽子、1 つの中性子、および 1 つの電子で構成されています。

ポテンシャルで結合した単純な粒子で構成された複合粒子内のボソンの数は、それがボソンであるかフェルミオンであるかには影響しません。

複合粒子 (またはシステム) のフェルミオン的またはボソン的な動作は、システムのサイズに比べて大きな距離でのみ見られます。空間構造が重要になり始める近接距離では、複合粒子 (またはシステム) はその構成に従って動作します。

フェルミオンは、緩くペアで結合するとボソン的な挙動を示すことがあります。これが、超伝導とヘリウム 3 の超流動性の起源です。超伝導材料では、電子はフォノンの交換を通じて相互作用し、クーパー対を形成しますが、ヘリウム 3 では、クーパー対はスピン変動によって形成されます。

分数量子ホール効果の準粒子は複合フェルミオンとも呼ばれ、偶数個の量子化された渦が付着した電子で構成されています。

この記事を聞く（9分）

この音声ファイルは、2021年7月11日付のこの記事の改訂版から作成されたもので、その後の編集は反映されていません。 (2021-07-11)

(音声ヘルプ ·その他の音声記事)