Pergunte a Ethan: Qual é a diferença entre férmions e bósons?

Partículas do modelo padrão, com as massas indicadas no canto superior esquerdo. Três colunas da esquerda são ocupadas por férmions, duas colunas da direita são bósons

Em todo o universo, existem apenas dois tipos de partículas fundamentais: férmions e bósons. Cada partícula, além das propriedades usuais conhecidas por você, como massa e carga elétrica, tem sua quantidade inerente de momento angular, conhecida como rotação. Partículas com giros meio inteiros (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2, ..) são conhecidas como férmions. Partículas com rotações inteiras (0, ± 1, ± 2, ..) são bósons. Não há outras partículas, fundamentais ou compostas, no Universo. Mas por que isso importa? Nosso leitor pergunta:

Você poderia explicar a diferença entre férmions e bósons? O que muda ao passar de um giro inteiro para um meio inteiro?

À primeira vista, a divisão de partículas em categorias por essas propriedades parece aleatória.


Partículas conhecidas no modelo padrão. Todas essas são partículas fundamentais, descobertas diretamente. Em um graviton, enquanto ainda não descoberto, o giro será igual a 2.

Afinal, uma partícula é uma partícula, não é? Claro, há mais diferença entre quarks (sujeitos a forte interação) e leptons (não sujeitos a ele) do que entre férmions e bósons? Claro, a diferença entre matéria e antimatéria significa mais do que spin? A presença ou ausência de massa é muito mais do que algo tão trivial quanto o momento angular?

Acontece que existem várias diferenças pequenas e significativas relacionadas ao giro, mas há duas diferenças sérias que são muito mais importantes do que a maioria das pessoas pensa e até a maioria dos físicos.


Fótons, partículas e antipartículas no início do Universo. Estava cheio de bósons e férmions, além de todos os antifermônios imagináveis

Primeiro, apenas os férmions têm cópias entre antipartículas. Antipartícula para quark - antiquark. A antipartícula de um elétron é um pósitron, enquanto um neutrino possui um antineutrino. Os bósons, por outro lado, são antipartículas de outros bósons, e muitos bósons são antipartículas de si mesmos. Não existe um antiboson. Colidir um fóton com outro fóton? Z ⁰ com outro Z ⁰ ? É o mesmo, em termos de interação entre matéria e antimatéria, como a aniquilação de um elétron e um pósitron.


Um bóson - como, por exemplo, um fóton - pode ser uma antipartícula para si, mas os férmions e antifermions são diferentes (como um elétron e um pósitron)

Partículas compostas podem ser criadas a partir de férmions: dois quarks superiores e um inferior dão um próton (férmion), um superior e dois inferiores dão um nêutron (férmion). Devido à natureza do spin, se você pegar um número ímpar de férmions e uni-los, a nova partícula composta se comportará como um férmion. É por isso que prótons e antiprótons existem e, portanto, o nêutron é diferente do antineutron. E partículas que consistem em um número par de férmions, como uma combinação de quark e antiquark (conhecida como meson), se comportam como um bóson. O pion neutro π ⁰ é em si uma antipartícula.

A razão é simples: cada um desses férmions é uma partícula com um giro de ± 1/2. Se você adicionar duas partículas, obterá um objeto com um giro de -1, 0 ou +1, ou seja, um número inteiro (e, portanto, é um bóson). Se você adicionar três, obtém um giro de -3/2, -1/2, +1/2 ou +3/2, ou seja, um férmion. Portanto, a diferença de partículas e antipartículas é bastante grande. Mas há uma segunda diferença, talvez ainda mais importante.


Níveis de energia para as energias mais baixas possíveis em um átomo de oxigênio neutro. Como os elétrons são férmions, não bósons, todos eles não podem existir no primeiro nível, mesmo em temperaturas arbitrariamente baixas

O princípio de proibição de Pauli se aplica apenas aos férmions, e não aos bósons. Ele postula que em qualquer sistema quântico dois férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico. Os bósons não têm tais restrições. Se você pegar o núcleo de um átomo e começar a adicionar elétrons, o primeiro elétron entrará no estado fundamental - o estado com a menor energia. Como esta é uma partícula com um giro de 1/2, o estado de seu giro pode ser +1/2 ou -1/2. Se você adicionar um segundo elétron ao átomo, sua rotação estará no estado oposto e também entrará no estado com a menor energia. Mas se você adicionar mais elétrons, eles não poderão entrar no estado fundamental e precisarão se estabelecer no próximo nível de energia.


Os níveis de energia e as funções das ondas dos elétrons correspondentes a vários estados do átomo de hidrogênio.

É por isso que o sistema periódico dos elementos de Mendeleev é organizado dessa maneira. Portanto, os átomos têm propriedades diferentes, eles se ligam em combinações tão complexas e, portanto, cada elemento da tabela é único: a configuração dos elétrons em cada átomo é diferente de todos os outros. O fato de dois férmions não poderem estar no mesmo estado quântico leva ao aparecimento de certas propriedades físicas e químicas dos elementos, a um grande número de combinações moleculares e a ligações fundamentais pelas quais são possíveis reações químicas complexas e vida.


A maneira como os átomos se ligam e formam moléculas, incluindo as orgânicas, só é possível graças ao princípio de proibição de Pauli

Por outro lado, quantos bósons que você quiser podem ser trazidos para o mesmo estado quântico! Isso permite criar estados bosônicos especiais, conhecidos como condensados ​​de Bose-Einstein. Ao resfriar tanto os bósons que eles entram em um estado com menos energia, você pode colocar qualquer número deles em um só lugar. O hélio (que consiste em um número par de férmions, portanto se comportando como um bóson) a baixas temperaturas se transforma em um superfluido - o resultado da condensação de Bose-Einstein. Até a presente data, gases, moléculas, quasipartículas e até fótons conseguiram trazer esse estado. Pesquisas ativas ainda estão em andamento nessa área.


Átomos de rubídio antes (esquerda), durante (no meio) e depois (direita) da transição para o estado de condensação de Bose-Einstein. O gráfico mostra como os átomos se condensam de regiões vermelhas, amarelas e verdes menos densas para azul e branco mais densas

O fato de os elétrons serem férmions leva ao fato de que as estrelas anãs não colapsam com seu próprio peso; o fato de os nêutrons serem férmions leva ao fato de que o colapso das estrelas de nêutrons para em algum momento. O princípio de proibição de Pauli, responsável pela estrutura atômica, impede que os objetos físicos mais densos se tornem buracos negros.


A anã branca, a estrela de nêutrons e até a estrela do quark, todas iguais consistem em férmions.

Quando a matéria ou antimatéria aniquila ou decai, eles aquecem o sistema a temperaturas dependendo de as partículas obedecerem às estatísticas de Fermi-Dirac (para férmions) ou Bose-Einstein (para bósons). Portanto, hoje a temperatura da radiação relíquia é de 2,73 K e a radiação de neutrinos de fundo é 0,8 K a menos: isso ocorreu devido à aniquilação e a essas estatísticas, que funcionaram no início do Universo.


Ajustando o número de neutrinos para coincidir com os dados das flutuações do CMB. Os dados coincidem com a radiação de neutrinos, cuja temperatura equivalente a energia é de 1,95 K - muito menos que a dos fótons CMB

O fato de o spin ser semi-integral nos férmions e o todo nos bósons é interessante por si só, mas é muito mais interessante que essas duas classes de partículas obedeçam a regras quânticas diferentes. Em um nível fundamental, essas diferenças tornam nossa existência possível. Este é um bom resultado para ninharias como a diferença de ± 1/2 no momento angular interno. Mas as vastas conseqüências de uma regra quântica aparentemente puramente ilustram o quão importante o giro pode ser e a diferença entre bósons e férmions.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].