Fermion - Définition

Introduction

Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes familles : les fermions et les bosons. Formellement, les fermions obéissent à la statistique de Fermi-Dirac et les bosons obéissent à celle de Bose-Einstein. Les fermions sont les particules à spin demi-entier (c'est-à-dire 1/2, 3/2, 5/2, ...) : l'électron, le muon, le neutrino et les quarks sont des fermions.

Les fermions se regroupent en deux familles :

1. les leptons, qui ne sont pas soumis à l'interaction forte ;
2. les quarks, qui sont soumis à toutes les interactions de la nature.

Les autres fermions sont tous composés.

Les leptons

Dans la famille des leptons, on connaît :

• l'électron : cette particule stable est de masse 1836 fois moindre que celle du proton, et de charge négative -e ;
• le muon : cette particule instable a la même charge que l'électron et est 210 fois plus massive que ce dernier. Laissé à lui-même, le muon se désintègre en 2,197×10^-6 s par le biais de l'interaction faible, laissant à sa place un électron, un neutrino μ et un antineutrino ;
• le tauon : cette particule très instable est de même charge que l'électron, tandis que sa masse lui est de 3500 fois supérieure. Il se désintègre en 2,8×10^-13 s, laissant à sa place un neutrino τ et un antineutrino ;
• le neutrino : le plus léger des fermions. Il n'a qu'une charge faible (alors que l'électron possède aussi une charge électrique). Il n'a presque aucune interaction avec la matière. Il existe trois types de neutrinos :
  1. le neutrino μ (émis lors de la désintégration d'un muon) ;
  2. le neutrino électronique e (émis lors de la désintégration β -transformation d'un neutron en proton) ;
  3. le neutrino τ (émis lors de la désintégration du tauon).

  En raison de leur faible masse (les neutrinos μ et τ ont une masse bien inférieure à celle de l'électron), ces trois types de neutrinos sont stables. Les neutrinos sont probablement les particules les plus abondantes de l'Univers.

Le principe d'exclusion de Pauli

Le principe d'exclusion de Pauli formulé en 1925 par Wolfgang Pauli interdit à deux fermions de se trouver au même endroit dans le même état quantique.

Ainsi dans l'atome, tous les électrons ont des nombres quantiques différents ; c'est également le cas dans tous les autres système de fermions.

Les quarks

On compte six représentants de la famille des quarks : le quark down (d), le quark up (u), le quark strange (s) et trois autres, produits en laboratoire. Les quarks s'associent par triplets pour former protons (u, u et d) et neutrons (d, d et u). Leur masse varie, mais est dans tous les cas bien supérieure à celle de l'électron. Ils possèdent une charge de couleur qui les soumet à l'interaction forte, la plus importante des interactions.

Propriétés des fermions

À l'échelle quantique, les fermions présentent une nature duale, c'est-à-dire qu'il peuvent se comporter comme des particules mais aussi comme des ondes.

À l'échelle macroscopique, les fermions apparaissent tous comme des particules : c'est le cas de l'électron, du muon et de tous les autres fermions.

On remarque également que tous les fermions ont une charge quelconque : le neutrino a une charge faible, l'électron a, en plus, une charge électrique et les quarks naturels (qui ne sont pas obtenus en laboratoire) ont à la fois des charges électrique et faible mais aussi une charge de couleur le soumettant à l'interaction forte.

Enfin, si les bosons peuvent être vecteurs d'interactions, ce n'est jamais le cas pour les fermions.

Tableau récapitulatif :