เฟอร์มิออน

เฟอร์มิออน ในฟิสิกส์อนุภาคคืออนุภาคประเภทหนึ่งที่มีเลขสปินควอนตัมเป็นจำนวนเต็มคี่แบ่งครึ่ง (1/2, 3/2, 5/2, ....) มีการประพฤติตัวตามหลักการกีดกันของเพาลีและการกระจายตัวแบบแฟร์มี-ดิแรก และเฟอร์มิออนสองตัวอยู่ในสถานะควอนตัมแบบเดียวกันไม่ได้ ซึ่งตรงข้ามกับโบซอน ที่มีเลขสปินเป็นจำนวนเต็ม (0, 1, 2, ....) และโบซอนมากกว่าสองตัวสามารถมีสถานะเชิงควอนตัมเดียวกันได้

แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐาน เฟอร์มิออนปรากฏอยู่ในสามหมู่แรก

เฟอร์มิออนสามารถเป็นได้ทั้งอนุภาคมูลฐาน เช่นอิเล็กตรอน หรือเป็นอนุภาคประกอบ เช่นโปรตอน เฟอร์มิออนที่เป็นอนุภาคมูลฐานในแบบจำลองมาตรฐาน มีทั้งหมด 24 ตัวแบ่งเป็น ควาร์ก 6 ตัวและเลปตอน 6 ตัว รวมกับปฏิยานุภาคของมันเป็น 24 ตัว เฟอร์มิออนประกอบเช่น โปรตอน นิวตรอน เป็นองค์ประกอบสำคัญในอะตอมของสสาร ต่างจากโบซอนที่มักเป็นพาหะของแรง แต่เฟอร์มิออนอันตรกิริยาแบบอ่อน (Weakly interacting fermion) สามารถมีพฤติกรรมแบบโบซอนภายใต้เงื่อนไขพิเศษ เช่นการสร้างตัวนำยิ่งยวด

คำว่า เฟอร์มิออน มีที่มามาจากชื่อนักฟิสิกส์อนุภาค เอนรีโก แฟร์มี ซึ่งเป็นผู้ที่เริ่มสร้างแบบทางคณิตศาสตร์สำหรับแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นเฟอร์มิออนชนิดแรกๆที่ถูกค้นพบ

คุณสมบัติ

นิยามของเฟอร์มิออนที่แท้จริงคืออนุภาคที่กระจายตัวแบบแฟร์มี-ดิแรก แต่เฟอร์มิออนที่รู้จักในปัจจุบันจะมีเลขสปินเป็นจำนวนครึ่งเท่า กล่าวคือเมื่อสลับสปินของเฟอร์มิออน ฟังก์ชันคลื่นของเฟอร์มิออนจะกลับเครื่องหมายด้วย พฤติกรรมฟังก์ชันคลื่นแบบปฏิสมมาตรนี้ทำให้เฟอร์มิออนเป็นไปตามกฎการกีดกันของเพาลี กล่าวคือ เฟอร์มิออนสองตัวจะมีสถานะเชิงควอนตัมเดียวกันในเวลาเดียวกันไม่ได้ ทำให้เฟอร์มิออนมีลักษณะแข็งเกร็ง และคงทน ด้วยคุณสมบัติดังกล่าว เฟอร์มิออนจึงเป็นองค์ประกอบสำคัญของสสาร เพราะทำให้อะตอมอยู่ตัวและมีความแตกต่างจากอะตอมอื่น และกฎการกีดกันของเพาลีก็ยังเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดค่ามอดูลัสของยังซึ่งแสดงความยืดหยุ่นของสสารนั้นๆ

เฟอร์มิออนมูลฐาน

อนุภาคมูลฐานทั้งหมดที่สังเกตได้ในปัจจุบันมีอยู่สองประเภทเท่านั้นคือเฟอร์มิออนและโบซอน โดยเฟอร์มิออนมูลฐานแบ่งเป็นสองประเภทคือควาร์กและเลปตอน

• ควาร์กซึ่งสร้าง โปรตอน นิวตรอน และแบริออนอื่นๆ
• เลปตอนประกอบไปด้วยอิเล็กตรอน และอนุภาคที่มีลักษณะเหมือนกันแต่มวลมากกว่าอย่าง มิวออน ทาว และ นิวตริโน ชนิดต่างๆ

ในเฟอร์มิออนที่รู้จักในปัจจุบัน เฉพาะเฟอร์มิออนซึ่งมีสมบัติไครัลแบบมือซ้ายเท่านั้นที่จะมีอันตรกิริยาแบบอ่อน กล่าวอีกนัยหนึ่งเฉพาะเฟอร์มิออนซึ่งมีสมบัติไครัลแบบมือซ้ายและแอนติเฟอร์มิออนซึ่งมีสมบัติไครัลแบบมือขวาเท่านั้นที่จะมีอันตรกิริยาต่อW โบซอน

ดูเพิ่ม

• ควาร์ก
• โบซอน

แหล่งข้อมูลอื่น

• Sakurai, J.J. (1994). Modern Quantum Mechanics (Revised Edition), pp 361-363. Addison-Wesley Publishing Company, ISBN 0-201-53929-2.
• Srednicki, Mark (2007). Quantum Field Theory เก็บถาวร 2011-07-25 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, Cambridge University Press, ISBN 978-0521864497.