Fermiones

Los fermiones son partículas fundamentales que obedecen el principio de exclusión de Pauli, el cual establece que dos fermiones idénticos no pueden ocupar al mismo tiempo un mismo estado cuántico.

En el universo, todas las partículas se agrupan en dos grandes categorías: fermiones y bosones.

Los fermiones constituyen la materia misma: todo lo que percibimos, tocamos o vemos está formado por ellos. Son los bloques con los que se construyen átomos y moléculas, es decir, la estructura tangible del mundo físico.

¿Por qué se llaman fermiones?

El nombre “fermión” rinde homenaje al físico italiano Enrico Fermi, ya que estas partículas siguen las estadísticas de Fermi-Dirac, que describen cómo se distribuyen en los diferentes niveles de energía.

Nota. En 1926, Fermi introdujo un modelo estadístico para describir partículas sometidas al principio de exclusión, es decir, aquellas que no pueden compartir el mismo estado cuántico. Posteriormente, Paul Dirac perfeccionó esta formulación, que pasó a conocerse como estadísticas de Fermi-Dirac. Las partículas que obedecen dichas estadísticas reciben hoy el nombre de fermiones, en reconocimiento a la contribución de Fermi.

Los fermiones se dividen en dos familias principales: quarks y leptones.

• Quarks: constituyen protones y neutrones.
• Leptones: incluyen partículas como el electrón y el neutrino.

Los bariones - que abarcan protones y neutrones - también pertenecen a la categoría de fermiones.

¿Qué define a un fermión?

La característica esencial de los fermiones es su espín, que siempre adopta valores semienteros, como ±1/2, ±3/2, y así sucesivamente.

¿Qué es el espín? El espín es una propiedad cuántica intrínseca, sin análogo clásico directo, aunque suele explicarse de manera aproximada como una suerte de “rotación interna” de la partícula.

Todos los fermiones están sujetos al principio de exclusión de Pauli.

Esto implica que dos fermiones idénticos nunca pueden encontrarse en el mismo estado cuántico en el mismo lugar y al mismo tiempo.

Por ejemplo, en los átomos los electrones se distribuyen en orbitales con diferentes niveles de energía alrededor del núcleo. En un mismo orbital solo pueden coexistir dos electrones, siempre que sus espines sean opuestos: uno “arriba” y otro “abajo”.

Consideremos el átomo de litio, que contiene tres electrones. Los dos primeros llenan el orbital de menor energía, próximo al núcleo - uno con espín arriba y el otro con espín abajo - . El tercero se ve obligado a ocupar el siguiente orbital disponible, algo más alejado.

Esta regla fundamental de “no superposición” explica por qué la materia tiene estructura y estabilidad. Sin ella, todo colapsaría en un único estado denso.

¿Cuál es la diferencia entre fermiones y bosones?

Fermiones y bosones constituyen las dos clases básicas de partículas elementales. La diferencia esencial radica en su espín y en el modo en que se distribuyen conforme a las estadísticas cuánticas.

• Fermiones
  Poseen espín semientero (1/2, 3/2, etc.). Electrones, protones y neutrones son ejemplos de fermiones. Obedecen el principio de exclusión de Pauli, lo que significa que dos fermiones idénticos no pueden compartir un mismo estado cuántico. Esta propiedad es la que hace posible la estructura atómica, la química y, en última instancia, la existencia de la materia sólida.
• Bosones
  Tienen espín entero (0, 1, 2, etc.) y actúan como mediadores de las fuerzas fundamentales. Así, los fotones transmiten la interacción electromagnética, mientras que los gluones son responsables de la interacción nuclear fuerte que mantiene unidos a los quarks en protones y neutrones. A diferencia de los fermiones, los bosones pueden compartir el mismo estado cuántico: pueden “acumularse” en el mismo lugar y estado sin restricción alguna. No obedecen el principio de exclusión de Pauli.

Esta distinción resulta fundamental en la física cuántica y tiene consecuencias profundas: desde la organización de la materia hasta el funcionamiento de las fuerzas básicas del universo.