Fermions

Les fermions sont des particules fondamentales qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli, selon lequel deux fermions identiques ne peuvent occuper simultanément le même état quantique.

Dans l’univers, toutes les particules se répartissent en deux grandes familles : les fermions et les bosons.

Les fermions constituent la matière elle-même : tout ce que nous voyons, touchons ou manipulons est fait d’eux. Ils représentent les briques élémentaires à partir desquelles se forment les atomes et les molécules, autrement dit la trame concrète du monde matériel.

Pourquoi les appelle-t-on « fermions » ?

Le terme « fermion » rend hommage au physicien italien Enrico Fermi. Ces particules obéissent en effet à la statistique de Fermi-Dirac, qui décrit la manière dont elles se distribuent parmi les différents niveaux d’énergie.

Remarque. En 1926, Fermi proposa un modèle statistique pour décrire les particules soumises au principe d’exclusion, c’est-à-dire celles qui ne peuvent partager un même état quantique. Paul Dirac en donna ensuite la formulation définitive, connue depuis sous le nom de statistique de Fermi-Dirac. Les particules qui suivent cette loi furent baptisées « fermions », en hommage à Fermi.

On distingue deux grandes familles de fermions : les quarks et les leptons.

• Quarks : ils constituent les protons et les neutrons.
• Leptons : ils regroupent notamment l’électron et le neutrino.

Les baryons - qui incluent protons et neutrons - appartiennent également à la catégorie des fermions.

Qu’est-ce qui caractérise un fermion ?

La propriété distinctive des fermions est leur spin, toujours demi-entier : ±1/2, ±3/2, etc.

Qu’est-ce que le spin ? Le spin est une grandeur quantique intrinsèque, sans véritable analogue classique, bien qu’on le décrive souvent, de manière imagée, comme une « rotation interne » de la particule.

Tous les fermions sont soumis au principe d’exclusion de Pauli.

En pratique, cela signifie que deux fermions identiques ne peuvent jamais se trouver dans le même état quantique au même endroit et au même instant.

Dans les atomes, par exemple, les électrons se répartissent dans des orbitales de différents niveaux d’énergie autour du noyau. Une même orbitale peut accueillir deux électrons tout au plus, à condition qu’ils aient des spins opposés : l’un ↑ et l’autre ↓.

Prenons l’atome de lithium, qui possède trois électrons. Les deux premiers occupent l’orbitale de plus basse énergie, proche du noyau - l’un avec spin ↑, l’autre avec spin ↓. Le troisième doit alors se placer dans l’orbitale suivante, un peu plus éloignée.

Cette règle fondamentale de « non-superposition » explique pourquoi la matière possède une structure stable. Sans elle, toute la matière s’effondrerait dans un état unique et extrêmement dense.

Quelle est la différence entre fermions et bosons ?

Fermions et bosons constituent les deux grandes classes de particules élémentaires. Leur distinction essentielle réside dans la valeur de leur spin et dans la façon dont ils se distribuent selon les lois de la statistique quantique.

• Fermions
  Leur spin est demi-entier (1/2, 3/2, etc.). Les électrons, protons et neutrons en sont des exemples. Ils obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui interdit à deux fermions identiques d’occuper exactement le même état quantique. C’est cette contrainte qui rend possible l’architecture des atomes, la chimie et, en définitive, l’existence même de la matière solide.
• Bosons
  Ils possèdent un spin entier (0, 1, 2, etc.) et jouent le rôle de médiateurs des interactions fondamentales. Ainsi, les photons véhiculent l’interaction électromagnétique, tandis que les gluons assurent la cohésion des quarks au sein des protons et des neutrons grâce à l’interaction forte. Contrairement aux fermions, les bosons peuvent occuper un même état quantique sans limite, en « s’accumulant » dans la même configuration. Ils ne sont donc pas soumis au principe d’exclusion de Pauli.

Cette distinction est fondamentale en physique quantique et entraîne des conséquences profondes : elle explique aussi bien l’organisation de la matière que le fonctionnement des forces fondamentales de l’univers.