Fermion

Zusammengesetzte Teilchen (wie Hadronen, Kerne und Atome) können je nach ihren Bestandteilen Bosonen oder Fermionen sein. Genauer gesagt, ist ein Teilchen, das eine ungerade Anzahl von Fermionen enthält, aufgrund der Beziehung zwischen Spin und Statistik selbst ein Fermion. Es hat einen halbzahligen Spin.

Beispiele sind unter anderem:

• Ein Baryon, wie das Proton oder Neutron, enthält drei fermionische Quarks und ist somit ein Fermion.
• Der Kern eines Kohlenstoff-13-Atoms enthält sechs Protonen und sieben Neutronen und ist somit ein Fermion.
• Das Helium-3-Atom (3He) besteht aus zwei Protonen, einem Neutron und zwei Elektronen und ist somit ein Fermion; auch das Deuterium-Atom besteht aus einem Proton, einem Neutron und einem Elektron und ist somit ebenfalls ein Fermion.

Die Anzahl der Bosonen in einem zusammengesetzten Teilchen, das aus einfachen, mit einem Potential gebundenen Teilchen besteht, hat keinen Einfluss darauf, ob es ein Boson oder ein Fermion ist.

Fermionisches oder bosonisches Verhalten eines zusammengesetzten Teilchens (oder Systems) ist nur bei großen (im Vergleich zur Größe des Systems) Abständen zu beobachten. In der Nähe, wo die räumliche Struktur wichtig zu werden beginnt, verhält sich ein zusammengesetztes Teilchen (oder System) entsprechend seiner Zusammensetzung.

Fermionen können bosonisches Verhalten zeigen, wenn sie lose in Paaren gebunden werden. Dies ist der Ursprung der Supraleitung und der Suprafluidität von Helium-3: In supraleitenden Materialien wechselwirken Elektronen durch den Austausch von Phononen und bilden Cooper-Paare, während in Helium-3 Cooper-Paare durch Spin-Fluktuationen gebildet werden.

Die Quasiteilchen des gebrochenen Quanten-Hall-Effekts werden auch als zusammengesetzte Fermionen bezeichnet, d.h. Elektronen mit einer geraden Anzahl von an sie gebundenen quantisierten Wirbeln.

SkyrmionenBearbeiten

In einer Quantenfeldtheorie kann es Feldkonfigurationen von Bosonen geben, die topologisch verdreht sind. Das sind kohärente Zustände (oder Solitonen), die sich wie ein Teilchen verhalten, und sie können fermionisch sein, selbst wenn alle Teilchen, aus denen sie bestehen, Bosonen sind. Dies wurde von Tony Skyrme in den frühen 1960er Jahren entdeckt, weshalb Fermionen, die aus Bosonen bestehen, nach ihm Skyrmionen genannt werden.

Skyrmes ursprüngliches Beispiel betraf Felder, die Werte auf einer dreidimensionalen Kugel annehmen, das ursprüngliche nichtlineare Sigma-Modell, das das Verhalten von Pionen in großen Abständen beschreibt. In Skyrmes Modell, das in der großen N- oder String-Näherung der Quantenchromodynamik (QCD) reproduziert wird, sind das Proton und das Neutron fermionische topologische Solitonen des Pionenfeldes.

Während Skyrmes Beispiel die Pionenphysik betraf, gibt es in der Quantenelektrodynamik ein viel bekannteres Beispiel mit einem magnetischen Monopol. Ein bosonischer Monopol mit der kleinstmöglichen magnetischen Ladung und eine bosonische Version des Elektrons bilden ein fermionisches Dyon.