Fermion

Les particules composites (comme les hadrons, les noyaux et les atomes) peuvent être des bosons ou des fermions selon leurs constituants. Plus précisément, en raison de la relation entre le spin et la statistique, une particule contenant un nombre impair de fermions est elle-même un fermion. Elle aura un spin demi-entier.

Les exemples sont les suivants :

• Un baryon, tel que le proton ou le neutron, contient trois quarks fermioniques et c’est donc un fermion.
• Le noyau d’un atome de carbone 13 contient six protons et sept neutrons et est donc un fermion.
• L’atome d’hélium-3 (3He) est constitué de deux protons, d’un neutron et de deux électrons, et c’est donc un fermion ; De même, l’atome de deutérium est constitué d’un proton, d’un neutron et d’un électron, et c’est donc aussi un fermion.

Le nombre de bosons au sein d’une particule composite composée de particules simples liées par un potentiel n’a aucun effet sur le fait qu’il s’agisse d’un boson ou d’un fermion.

Le comportement fermionique ou bosonique d’une particule composite (ou d’un système) n’est observé qu’à de grandes distances (par rapport à la taille du système). A proximité, où la structure spatiale commence à être importante, une particule composite (ou un système) se comporte en fonction de sa composition.

Les fermions peuvent présenter un comportement bosonique lorsqu’ils deviennent faiblement liés par paires. C’est l’origine de la supraconductivité et de la superfluidité de l’hélium-3 : dans les matériaux supraconducteurs, les électrons interagissent par l’échange de phonons, formant des paires de Cooper, tandis que dans l’hélium-3, les paires de Cooper sont formées via les fluctuations de spin.

Les quasiparticules de l’effet Hall quantique fractionnel sont également connues sous le nom de fermions composites, qui sont des électrons auxquels est attaché un nombre pair de tourbillons quantifiés.

SkyrmionsModification

Dans une théorie quantique des champs, il peut exister des configurations de champ de bosons qui sont topologiquement tordues. Ce sont des états cohérents (ou solitons) qui se comportent comme une particule, et ils peuvent être fermioniques même si toutes les particules constitutives sont des bosons. Cela a été découvert par Tony Skyrme au début des années 1960, de sorte que les fermions constitués de bosons sont nommés skyrmions après lui.

L’exemple original de Skyrme impliquait des champs qui prennent des valeurs sur une sphère tridimensionnelle, le modèle sigma non linéaire original qui décrit le comportement à grande distance des pions. Dans le modèle de Skyrme, reproduit dans la grande approximation N ou string de la chromodynamique quantique (QCD), le proton et le neutron sont des solitons topologiques fermioniques du champ de pions.

Lorsque l’exemple de Skyrme impliquait la physique des pions, il existe un exemple beaucoup plus familier dans l’électrodynamique quantique avec un monopôle magnétique. Un monopôle bosonique avec la plus petite charge magnétique possible et une version bosonique de l’électron formeront un dyon fermionique.

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