thumb|250px|Стандардни модел елементарних честица, са баждареним бозонима у четвртој колони приказаној црвеном бојом

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. Фермиони су назив добили по италијанском физичару Енрику Фермију.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 Фермионске елементарне честице се деле на кваркове и лептоне. Најпознатија фермионска честица је електрон.

мини|250px|Антисиметрична таласна функција која описује стање два фермиона у бесконачној квадратној потенцијалној јами мини|десно|250px|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. мини|десно|250px|Преглед међуделовања између субатомских честица описаних стандардним моделом. мини|десно|250px|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. мини|десно|250px|Електрична струја је усмерено кретање слободних електрона. мини|десно|250px|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. мини|десно|250px|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 3-{He}-, језгра угљеника 13-{C}-), а честице сачињене од парног броја фермиона су бозони (на пример језгра деутеријума 2-{H}-, језгра хелијума 4-{He}-, језгра угљеника 12-{C}-).Fermion, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, pristupljeno 3. veljače 2020. Сва позната материја данашњег свемира састављена је од фермиона: бариона и лептона.

Фермион Знак Античестица Електрични набој -{Q/e}- Спин Маса мировања (-{MeV/c}-2) 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 ν-{e}- ν}}-{e}- 0 1/2 < 2,2 мионски неутрино νμ ν}}μ 0 1/2 < 1,7 тауски неутрино ντ ν}}τ 0 1/2 < 15,5 протон -{p}- +1 1/2 938,3 неутрон -{n}- 0 1/2 939,6

Кваркови и лептони

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: +2/3-{𝑒}- или −1/3-{𝑒}-. 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 (𝜈-{𝑒}-) 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.Svetlana Veselinović: "Elementarne čestice", , završni rad, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Osijek 2014, pristupljeno 27. siječnja 2020.

Види још Елементарне честице Бозони Паулијев принцип искључења Субатомске честице Ферми-Диракова статистика

Референце

Литература

Highlights the gauge theory aspects of the Standard Model. Highlights dynamical and phenomenological aspects of the Standard Model.