Fermionen — bouwstenen van materie: definitie, soorten en voorbeelden

Fermionen: definitie, soorten (quarks en leptonen), eigenschappen en voorbeelden — de bouwstenen van materie helder uitgelegd.

Een fermion is een categorie van elementaire deeltjes die fundamenteel anders gedragen dan de andere grote klasse van deeltjes, de bosonen. Fermionen zijn heel klein en meestal licht. Ze worden vaak beschreven als de bouwstenen van materie, omdat veel van de deeltjes waaruit atomen bestaan fermionen zijn. Paul Dirac noemde ze fermionen ter ere van de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi.

Wat onderscheidt fermionen?

Het belangrijkste kenmerk van fermionen is dat ze een half-even spin hebben, dat wil zeggen een spin die een half geheel getal is (bijvoorbeeld 1/2, 3/2, 5/2 ...). Daardoor volgen ze het Fermi-Dirac statistieken en het Pauli-uitsluitingsprincipe. Het Pauli-uitsluitingsprincipe zegt dat twee identieke fermionen niet exact dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen (inclusief dezelfde plaats, impuls en andere kwantumnummers zoals spin). Dit heeft grote praktische gevolgen: het verklaart bijvoorbeeld de opbouw van elektronenschillen rond atoomkernen en daarmee de structuur van het periodiek systeem, en het veroorzaakt degeneratiedruk die witte dwergen en neutronensterren stabiliseert.

Verschil met bosonen

In tegenstelling tot fermionen mogen bosonen wel in dezelfde kwantumtoestand samenkomen; je kunt veel bosonen, zoals fotonen, op vrijwel dezelfde plaats en in dezelfde toestand hebben (dit ligt ten grondslag aan bijvoorbeeld laserlicht en Bose-Einstein condensaten). Fermionen vertonen dit gedrag niet en daarom vormen zij de materiële structuur van objecten.

Fundamentele en samengestelde fermionen

Veel bekende fermionen hebben spin 1/2. Een typisch voorbeeld is het elektron, dat tot de groep fermionen behoort die leptonen worden genoemd. Er bestaan zowel fundamentele fermionen (deeltjes die volgens het standaardmodel niet verder opgebouwd zijn) als samengestelde fermionen. Zo zijn protonen en neutronen geen fundamentele deeltjes, maar samengestelde fermionen (baryonen) die uit drie quarks bestaan.

Soorten fundamentele fermionen

De fundamentele fermionen in het standaardmodel zijn verdeeld in twee groepen: quarks en leptons. Er zijn zes smaken (typen) quarks en zes leptons, gerangschikt in drie generaties. De gebruikelijke indeling is:

• Quarks - boven, beneden, charme, vreemd, top, bottom
• Leptonen - elektron, muon, tau, elektron neutrino, muon neutrino, tau neutrino

Een andere manier om de generaties weer te geven: generatie 1 bevat de up (boven) en down (beneden) quarks plus het elektron en het elektronneutrino; generatie 2 bevat charm (charme) en strange (vreemd) plus het muon en het muon-neutrino; generatie 3 bevat top en bottom plus het tau en het tau-neutrino.

Antideeltjes en elektrische ladingen

Elk fermion heeft een correspondend antideeltje, dus er zijn in totaal 24 fundamentele fermionen (12 deeltjes + 12 antideeltjes). Het antideeltje heeft dezelfde massa en spin maar tegengestelde interne ladingen, waaronder de elektrische lading. Globaal geldt:

• De "boven" (up), "charme" (charm) en "top" quarks hebben elektrische lading +2/3; hun antideeltjes hebben -2/3.
• De "beneden" (down), "vreemd" (strange) en "bottom" quarks hebben lading -1/3; hun antideeltjes hebben +1/3.
• De geladen leptonen (elektron, muon, tau) hebben lading -1; hun antideeltjes (bijvoorbeeld het anti-elektron of positron) hebben +1.
• Alle neutrino's en anti-neutrino's hebben elektrische lading 0.

Naast elektrische lading dragen quarks ook een kleur-lading (kleur in de kwantumchromodynamica), waardoor ze nooit vrij voorkomen maar gebonden zijn in hadronen (zoals baryonen en mesonen).

Massa’s en andere eigenschappen

Hoewel sommige fermionen dezelfde elektrische lading hebben, verschillen ze sterk in massa. De massa van het elektron is klein (ongeveer 0,511 MeV/c²), neutrino's hebben zeer kleine maar niet exact bekende ruisarme massa's, en de topquark is verreweg het zwaarst (ongeveer 173 GeV/c²). Quarks ondergaan ook sterke wisselwerkingen en kunnen van smaak veranderen via de zwakke wisselwerking (bijvoorbeeld in radioactief verval).

Toepassingen en voorbeelden in de praktijk

Het Pauli-uitsluitingsprincipe voor fermionen verklaart veel fenomenen uit de dagelijkse natuurkunde en astrofysica: de vaste structuur van materie, de chemische eigenschappen van elementen, en de stabiliteit van witte dwergen en neutronensterren door degeneratiedruk. In deeltjesversnellers worden quarks en leptons bestudeerd om de grondbeginselen van materie te begrijpen en om nieuwe fysica te zoeken.

Supersymmetrische tegenhangers

In theorieën buiten het standaardmodel, zoals de supersymmetrische modellen, heeft elk fermion een hypothetische bosonische partner die een "sfermion" wordt genoemd. Deze sfermionen zijn tot nu toe nog niet waargenomen; het bestaan van zulke deeltjes zou grote gevolgen hebben voor ons begrip van de fundamentele krachten.

Samenvattend: fermionen zijn half-integer spin-deeltjes die de bouwstenen vormen van materie, die het Pauli-uitsluitingsprincipe volgen en die uit twee hoofdtypen bestaan — quarks en leptonen — elk met hun antideeltjes en specifieke eigenschappen zoals lading en massa.

Zoek op letter