Fermiones

Los quarks y los electrones están clasificados como fermiones

Transcurrieron casi 100 años, desde el descubrimiento del electrón (1897) hasta el descubrimiento del quark top (1995), para que el mundo científico tuviera una clasificación bastante satisfactoria de las partículas elementales que componen la materia.

En la teoría estándar, actualmente aceptada de forma generalizada, se considera que existen 3 familias de partículas. Hay pruebas convincentes de que no existe una cuarta familia.

La primera familia está formada por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos electrónicos. Toda la materia del universo: estrellas, Sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, nuestro cerebro, nuestra sangre, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del electrón).

Los elementos de la segunda familia tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), no existen en la materia ordinaria y se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del muón. El muón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 200 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: muones, quarks strange, quarks charm y neutrinos muónicos. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del muón).

Los elementos de la tercera familia también tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), tampoco existen en la materia ordinaria y se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del tauón . El tauón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 3.500 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: tauones, quarks top, quarks bottom y neutrinos tauónicos. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del tauón)

Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero).

Todos estos constituyentes básicos de la materia, interactúan entre sí mediante la acción de 4 fuerzas (fuerza débil, fuerza nuclear fuerte, fuerza de gravedad y fuerza electromagnética). Se denominan fermiones llamados así en honor al célebre científico italiano Enrico Fermi.

Pero ¿qué son estas fuerzas y cómo actúan? Se ha postulado que estas fuerzas se transmiten por medio de otras partículas denominadas bosones. Algunos de estos bosones ya han sido identificados y encontrados. Otros, como el bosón Higgs, se han postulado pero todavía no ha sido posible detectarlos.

Según el modelo estándar de la materia, existen dos tipos de fermiones, los quarks y los leptones.

Los fermiones se caracterizan por tener espín semi-entero (1/2, 3/2,...).

Si las partículas compuestas (formadas por varias partículas elementales), contienen un número impar de fermiones, también se clasifican como fermiones.

Fermi
Enrico Fermi (1901-1954)

Los fermiones se dividen en dos grupos:
- quarks, que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte.
- leptones, entre los que se encuentran los electrones, que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil.

La materia ordinaria está formada básicamente por fermiones y a ellos debe prácticamente toda su masa.

El núcleo de un átomo está formado por quarks, los cuales a su vez se agrupan en protones y neutrones.

Por otra parte, alrededor del núcleo orbitan los electrones clasificados como leptones.

Nucleo

En la descripción de la mecánica cuántica no relativista, las funciones de onda de los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen la estadística de Fermi-Dirac verificando, por tanto, el principio de exclusión de Pauli. Esta propiedad implica, que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo.

El principio de exclusión de Pauli obedecido por los fermiones es el responsable de la "impenetrabilidad" de la materia ordinaria, que hace que esta sea una substancia extensa. El principio de Pauli también es responsable de la estabilidad de los orbitales atómicos haciendo que la complejidad química sea posible. También es el responsable de la presión ejercida por la materia degenerada.

Los fermiones elementales también pueden ser clasificados en:
- fermiones de Majorana, cuando son estados propios del operador de conjugación de carga y por tanto dos fermiones de ese tipo pueden aniquilarse mutuamente.
- fermiones de Dirac, cuando no son estados propios del operador de conjugación de carga, y por tanto, tiene una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.

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