¿Por qué los campos de materia son predominantemente fermiones?

Question

Aparte del bosón de Higgs, toda la materia está formada por fermiones. ¿Hay alguna razón obvia para ello?

Answer 1

El término "materia" es flexible. En realidad, los relativistas suelen referirse a cualquier fuente del campo gravitatorio -es decir, esencialmente cualquier cosa que no sea el propio campo gravitatorio- como un "campo de materia". En este uso, un rayo láser es un campo de materia.

Incluso si nos limitamos a las partículas masivas y estables, no es necesariamente cierto que la materia esté formada predominantemente por fermiones.

Aproximadamente la mitad de todos los núcleos conocidos son bosones, al igual que aproximadamente la mitad de todos los átomos. Se podría objetar que no son contraejemplos, porque son compuestos y no fundamentales.

Bien, ahora digamos que nos restringimos a las partículas fundamentales. Esto es un poco problemático, porque no tenemos forma de saber qué partículas son elementales en última instancia. Hubo un tiempo en que las partículas alfa se consideraban elementales. Algún día puede que descubramos que los quarks son compuestos de bosones.

Pero bien, digamos que ahora nos limitamos a describir la "materia" como partículas masivas y estables que se describen como fundamentales en el modelo estándar. Bueno, esto no tiene sentido, porque gran parte de la masa de la materia ordinaria proviene de la energía de los gluones dentro de los núcleos. Así que nos encontramos en la absurda posición de decir que los árboles y las rocas no están hechos de materia. Quizá sea cierto en cierto sentido, pero pone en duda que podamos definir "materia" de forma útil sin renunciar a cualquier esperanza de coincidir con el uso común.

Por cierto, otro posible contraejemplo es que los axiones podrían ser un componente de la materia oscura.

Así que creo que esto demuestra que realmente no podemos obtener una definición satisfactoria de "materia" que concuerde con el uso cotidiano y sea particularmente útil. Por eso los físicos de distintos campos tienen sus propias definiciones especializadas de la materia. Un físico de partículas diría que es un fermión, y un relativista diría que es una fuente del campo gravitatorio.

Answer 2

La distinción que a veces se hace (como en el gráfico de Wikipedia, reproducido a continuación) entre "partículas de materia" y "portadores de fuerza" es artificial y poco útil.

De acuerdo, la materia cotidiana está hecha de electrones, quarks up y quarks down, pero eso es sólo porque resultan ser las partículas más ligeras que forman estados ligados. Extender la etiqueta "materia" a otros quarks y leptones no tiene ninguna base real. Es una etiqueta añadida por los humanos que puede ayudar a algunos de ellos, pero que no tiene ningún significado fundamental.

Básicamente sólo hay campos, con diferentes espines, e interacciones entre ellos.

Answer 3

¿Por qué los campos de materia son predominantemente fermiones?

Los fermiones tienen masa y, en este sentido, pueden denominarse campos de materia.

En el Modelo estándar Los bosones también tienen masa, el Higgs, el W+/- el Z. Son menos numerosos. Los gluones y los fotones no tienen masa.

Me gustaría reformular el título:

¿Podemos tener materia clásica sin fermiones en el nivel mecánico cuántico subyacente del que surge lo clásico?

La materia fermiónica es un elemento necesario para construir núcleos y átomos. La exclusión de Pauli m a estabilidad del modelo de cáscara de los núcleos y de los "orbitales" de los electrones. Los fermiones no pueden ocupar los mismos niveles de energía.

Sin el espín 1/2 de los quarks, los protones y neutrones no se formarían para poder constituir núcleos. Habría una bola de quarks pegamento cargada o neutra.

Sin los electrones de espín 1/2 no habría átomos, ya que, en el mejor de los casos, todos los electrones que neutralizan la bola de quarks pegamento, aunque estuvieran en estado ligado, estarían en el nivel de energía más bajo.

Ni tabla periódica, ni química, ni materia tal y como la conocemos.

Así que los campos fermiónicos son necesarios para la aparición de la materia tal y como la definimos clásicamente.

Answer 4

Veamos la definición de materia ( https://www.merriam-webster.com/dictionary/matter ): "sustancia material que ocupa un espacio..." (y sí, selecciono y elijo:-) ) Así que es más natural asociar "que ocupa espacio" con los fermiones debido al principio de Pauli. Pero, de nuevo, esto depende de la definición de materia, y discutir sobre definiciones no es muy productivo.

Answer 5

Creo que aquí hay principalmente dos cuestiones: la masa y el fenómeno de la resistencia de un cuerpo a que otro ocupe el mismo espacio.

La mayor parte de la masa de lo que llamamos materia procede de los gluones y de las energías de interacción; seguiría estando ahí aunque todos los quarks tuvieran masa en reposo nula, por ejemplo, así que creo que no es cierto decir que la masa procede de los fermiones.

Pero estaría dispuesto a decir que la materia está hecha de fermiones, con bosones que también desempeñan un papel como el que se acaba de mencionar. Esto se debe a que elegimos aplicar la etiqueta de "materia" a cosas que tienen el tipo de comportamiento que capta el principio de exclusión de Pauli. No es fácil que un trozo de materia se encuentre en el mismo espacio con el mismo impulso que otro. Los contraejemplos, como la condensación de Bose y Einstein, no se extienden a todos los grados de libertad de la materia implicada. También creo que las leyes de conservación en torno a cosas como el número de leptones son significativas aquí.