ما هو الفرميون - What is Fermion؟

ما هي الفرميونات في فيزياء الجسيمات؟

في فيزياء الجسيمات، الفرميونات هي مجموعة من الجسيمات الأولية أو الأساسية التي تشكل اللبنات الأساسية للمادة. في النموذج القياسي، تصنف الجسيمات الأولية على أنّها فرميونات وبوزونات. ترتبط الفرميونات عادةً بالمادة، بينما ترتبط البوزونات بالقوى الأساسية (أو الإشعاع).

تنقسم الفرميونات إلى كواركات ولبتونات. الكواركات هي الفرميونات التي تقترن بفئة من البوزونات تعرف بالغلونات لتكوين جسيمات مركبة مثل البروتونات والنيوترونات. اللبتونات هي تلك الفرميونات التي لا تخضع للاقتران مع الغلوونات. تعتبر الإلكترونات مثالًا معروفًا للبتونات.

تأتي الفرميونات في أزواج، وفي ثلاثة “أجيال”. تتكون المادة اليومية من الجيل الأول من الفرميونات: لبتونان، الإلكترون والنيوترينو الإلكتروني (electron-neutrino)، واثنين من الكواركات (quarks)، تسمى (Up and Down). تتبع الفرميونات ما يعرف بإحصاءات فيرمي ديراك (Fermi-Dirac statistics) وسميت على اسم “إنريكو فيرمي”.

الخصائص الأساسية للفرميونات:

من الناحية النظرية، يرتبط أحد الاختلافات الرئيسية بين الفرميونات والبوزونات بخاصية تُعرف باسم “الدوران” (spin). الفيرميونات لها دوران نصف عدد صحيح فردي (1/2، 3/2، 5/2، وهكذا)، في حين أنّ البوزونات لها دوران صحيح (0، 1، 2، وهكذا). هنا يشير مصطلح “الدوران” إلى العدد الكمي للزخم الزاوي، تخضع الفرميونات لإحصائيات “فيرمي ديراك”، مما يعني أنّه عندما يتبادل المرء فرميونين، فإنّ إشارة الدالة الموجية للنظام تتغير.

بالنظر إلى أنّ كل فرميون له دوران نصف عدد صحيح، فعندما يدور مراقب الفرميون (أو عندما يدور الفرميون 360 درجة حول محوره)، فإنّ الدالة الموجية للفرميون تتغير. وتسمى ظاهرة مرتبطة بسلوك الدالة الموجية غير المتماثلة (antisymmetric wavefunction) للفرميون.

مبدأ استبعاد باولي – Pauli exclusion principle:

نظراً لأنّ الجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح، تتبع الفرميونات مبدأ “استبعاد باولي”: لا يمكن أن يوجد فرميونان في نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت. وبالتالي، لكي تحتل أكثر من فيرميون نفس المكان في الفضاء، يجب أن تختلف خصائص معينة (مثل الدوران) لكل فرميون في المجموعة عن باقي الخصائص.

تُستخدم عملية مبدأ استبعاد باولي لشرح “صلابة” أو “صعوبة” المادة العادية (المساهمة في المعامل الصغير للمادة)، واستقرار غلاف الإلكترون للذرات (وبالتالي استقرار المادة الذرية). هذا المبدأ مسؤول أيضاً عن تعقيد الذرات (مما يجعل من المستحيل على جميع الإلكترونات الذرية أن تشغل نفس مستوى الطاقة)، مما يجعل الكيمياء المعقدة ممكنة. بالإضافة إلى ذلك، يُقال أنّ هذا المبدأ مسؤول عن الضغط داخل المادة المتحللة، والتي تحكم إلى حد كبير حالة توازن الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية.

في الأنظمة الكبيرة، يكون الفرق بين الإحصائيات البوزونية والفرميونية واضحاً فقط عند الكثافة العالية، عندما تتداخل وظائفها الموجية. عند الكثافات المنخفضة، يتم تقريب كلا النوعين من الإحصائيات جيداً بواسطة إحصائيات “ماكسويل – بولتزمان”، التي تم وصفها بواسطة الميكانيكا الكلاسيكية.

الفرميونات الأولية – Elementary fermions:

كما ذكرنا سابقاً، تُصنف الجسيمات الأوليّة على أنّها فرميونات وبوزونات، وتنقسم الفرميونات الأولية إلى كواركات ولبتونات. عندما تقترن الكواركات معاً، فإنّها تشكل فرميونات مركبة مثل البروتونات والنيوترونات، تشمل اللبتونات الإلكترون والجسيمات المماثلة والأثقل (الميون والتاو) والنيوترينوات.

تتفاعل الفرميونات المعروفة (helicity) اليسرى من خلال التفاعل الضعيف، لكن الفرميونات اليمنى المعروفة لا تتفاعل، أو بعبارة أخرى، فقط الفرميونات اليسرى وزوجان مضادان للفرميونات اليمنى هما “البوزون دبليو”.

صفات الفرميونات – Flavors of fermions:

هناك (24) نوعاً أساسياً أو أولياً من الفرميونات، يشار إليها باسم “نكهات” الفرميونات. تتكون من (12) كواركاً و (12) لبتوناً، كما هو موضح أدناه:

12 كواركات: ستة جسيمات وستة جسيمات مضادة وهي:

الأعلى (Up)، الأسفل (Down)، السحر (Charm)، الغريب (Strange)، لفوق (Top)، القاع (Bottom)، مضاد الأعلى (Up antiquark)، مضاد الأسفل (Down antiquark)، مضاد السحر (Charm antiquark)، مضاد الغريب (Strange antiquark)، مضاد الفوق (Top antiquark)، مضاد القاع (Bottom antiquark).

12 لبتون: ستة جسيمات وستة جسيمات مضادة وهي:

الإلكترون (Electron)، المون (Muon)، التاو (Tau)، نيوترينو الكترون (Electron neutrino)، نيوترينو ميون (Muon neutrino)، نيوترينو تاو (Tau neutrino)، البوزيترون (Positron)، أنتيمون (Antimuon)، أنتيتاو (Antitau)، إلكترون أنتينيوترينو (Electron antineutrino) ،(Muon antineutrino)، تاو أنتينيوترينو (Tau antineutrino).

مركب الفرميونات – Composite fermions:

بالإضافة إلى الفرميونات الأولية والبوزونات، فإنّ الجسيمات المركبة غير الارتباطية المكونة من جسيمات أساسية أكثر مرتبطة ببعضها البعض من خلال طاقة كامنة هي الفرميونات المركبة أو البوزونات، اعتماداً فقط على عدد الفرميونات الأولية التي تحتوي عليها:

• الجسيم المركب الذي يحتوي على عدد “زوجي” من الفرميونات الأولية هو البوزون. أمثلة:

1- الميزون يحتوي على اثنين من الكواركات الفرميونية والبوزون.

2- تحتوي نواة ذرة كربون (-12) على ستة بروتونات وستة نيوترونات (جميع الفرميونات) وهي أيضاً بوزون.

• الجسيم المركب الذي يحتوي على عدد “فردي” من الفرميونات الأولية هو فيرميون. أمثلة:

1- يحتوي الباريون على ثلاثة كواركات وبالتالي فهو فرميون.

2- تحتوي نواة ذرة الكربون (13) على ستة بروتونات وسبعة نيوترونات، وبالتالي فهي فرميون.

عدد البوزونات داخل جسيم مركب مكون من جسيمات بسيطة مرتبطة ليس له أي تأثير على ما إذا كان الجسيم المركب بوزوناً أم فرميوناً. في “نظرية المجال الكمي”، يكون الوضع أكثر إثارة للاهتمام. يمكن أن تكون هناك تكوينات ميدانية للبوزونات ملتوية طوبولوجياً. هذه حالات متماسكة تتصرف مثل الجسيمات، ويمكن أن تكون فرميونية حتى لو كانت جميع الجسيمات الأولية بوزونات. اكتشف “توني سكيرم” هذا الموقف في أوائل الستينيات، لذلك سميت الفرميونات المصنوعة من البوزونات باسم (Skyrmions).

لا يُرى السلوك الفرميوني أو البوزوني لجسيم مركب (أو نظام) إلا على مسافات كبيرة (مقارنة بحجم النظام). على مقربة، حيث تبدأ أهمية البنية المكانية، يتصرف الجسيم المركب (أو النظام) وفقاً لتركيبه المكون. على سبيل المثال، لا يمكن لذرتين من الهيليوم أن تشتركا في نفس المساحة إذا كانت قابلة للمقارنة بالحجم مع حجم البنية الداخلية لذرة الهيليوم نفسها (~ 10^-10م) على الرغم من الخصائص البوزونية لذرات الهيليوم. وبالتالي، فإنّ الهيليوم السائل له كثافة محدودة مماثلة لكثافة المادة السائلة العادية.

خاصية ميكانيكا الكم – Quantum mechanical property:

يمكن لفرميون واحد فقط أن يشغل حالة كمية معينة في أي وقت. إذا كانت الفرميونات المتعددة لها نفس التوزيع الاحتمالي المكاني، فيجب أن تكون خاصية واحدة على الأقل لكل فرميون، مثل دورانها مختلفة. عادةً ما ترتبط الفرميونات بالمادة، في حين أنّ البوزونات هي بشكل عام جسيمات حاملة للقوة، على الرغم من أنّه في الحالة الحالية لفيزياء الجسيمات، فإنّ التمييز بين المفهومين غير واضح. الفرميونات المركبة، مثل البروتونات والنيوترونات، هي لبنات بناء أساسية للمادة اليومية.