تمام ذرات ابتدایی دارای یك خصوصیت كوانتوم مكانیكی اند كه می توان تقریباً آن را چرخش فرض كرد. فرمیون ها (الكترون ها، پروتون ها و نوترون ها) دارای چرخش هایی هستند كه مضارب فرد نیم اند؛ بدین معنا كه اگر بخواهیم با استعاره صحبت كنیم باید بگوئیم كه لازم است دو دور كامل بچرخند تا به وضعیت ابتدایی خویش بازگردند. بوزون ها (مثلاً فوتون ها) دارای چرخش هایی با مضرب اعداد طبیعی (۰ ۱، ۲، و غیره) هستند. ماده فضا را عمدتاً به این دلیل اشغال می كند كه هیچ دو فرمیون یكسانی قادر به اشغال یك حالت كوانتومی واحد نیستند.

وجود ماده چگال فرمیونی همانند ماده چگال بوز انیشتین از سال ها قبل پیش بینی شده بود و خواص آن محاسبه شده بود؛ اما رسیدن به دمای نزدیک صفر مطلق که برای تشکیل این ماده لازم است، تا کشف این ماده ممکن نشده بود. هر دو نوع این مواد چگال از فرو رفتن اتم ها در دماهای بسیار پایین ساخته می شوند.



اتم های BEC بوزون اند و اتم های ماده چگال فرمیونی، فرمیون. اما این ها به چه معنی اند؟



بوزون ها می توانند همگی در یک تراز انرژی قرار گیرند. به طور کلی اگر مجموع تعداد الکترون ها + پروتون ها + نوترون های یک اتم، عددی زوج باشد، آن اتم یک بوزون است. مثلا اتم های سدیم معمولی بوزون اند و می توانند به حالت فاز چگال بوز انیشتین با هم ترکیب شوند.

اما فرمیون ها مطابق اصل طرد پائولی نمی توانند در یک حالت کوانتومی ادغام شوند. پاسخ این تفاوت های حالت های ماده را می توان در عواملی مانند اسپین یافت. هر اتمی که تعداد الکترون ها + پروتون ها + نوترون هایش عددی فرد باشد؛ مانند پتاسیم ٤٠ ، یک فرمیون است.



گروه دانشمندان کاشف فرمیون ها برای مقابله با خواص ویژه فرمیون ها از تأثیر میدان مغناطیسی بر آن ها استفاده کردند. میدان مغناطیسی باعث می شود فرمیون ها جفت شوند. قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می کند. با اعمال میدان، جفت های اتم های پتاسیم برخی از خواص فرمیونی خود را حفظ می کنند ولی کمی شبیه به بوزون ها عمل خواهند کرد. یک جفت فرمیون می توانند در جفت دیگر ادغام شده و جفت تازه در جفتی دیگر و به همین ترتیب کار ادامه می یابد تا زمانی که ماده چگال فرمیونی شکل گیرد.

در این پدیده، ویسکوزیته ماده به وجود آمده باید بسیار کم باشد. مشابه این پدیده را در ابر رسانایی می بینیم. در یک ابررسانا جفت الکترون ها (الکترون ها فرمیون اند) می توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. متأسفانه دسترسی به ابررساناها بسیار مشکل است. گرم ترین ابررسانای امروزی باید در دمای -١٣٥ درجه سانتی گراد عمل کند و این بزرگ ترین مشکل برای استفاده از آن هاست. قدرت جفت شدن شگفت انگیز در حالت جدید، دانشمندان را امیدوار کرده است که بتوانند یافته های خود درباره حالت تازه ماده برای تولید ابر رساناها در دمای اتاق استفاده کنند.



ابر رساناها کاربردهای فراوانی در علوم و فنون فضایی دارند. برای مثال، ژیروسکوپ هایی که برای هدایت فضاپیماها در مدار استفاده می شوند، با آهن ربای ابررسانا بسیار دقیق تر کار می کنند(ژیروسکوپ وسیله ای است که برای اندازه گیری یا حفظ جهت بر اساس اندازه حرکت زاویه ای کار می کند). همچنین ابررساناها می توانند حامل جریان های بیش تر در اندازه های کوچک تری نسبت به یک سیم مسی باشند، حجم موتورهایی که از آن ها ساخته می شود، ٤ تا ٦ برابر کوچک تر از موتورهای امروزی فضاپیماها خواهد بود.

فِرمیون (انگلیسی: Fermion):
در فیزیک ذرات , فرمیون ها ذراتی هستند که ازآمار فرمی–دیراک, تبعیت می کنند که بر اساس نام انریکو فرمی نام گذاری شده است . در مقابل آنها ,بوزونها از آمار بوز – اینشتین پیروی می کنند .

در یک لحظه ی معین ,تنها یک فرمیون می تواند, یک حالت کوانتومی را اشغال کند که این بیان اصل طرد پاولی است . بدین معنی که اگر بیش از یک فرمیون فضای مشابهی را در فضا اشغال کنند , مشخصه ی هر فرمیون ( برای مثال اسپین ) ,باید از دیگری متفاوت باشد . فرمیون ها معمولا" بخش اصلی ماده هستند و بوزون ها ذرات حامل نیرو هستند . به هر جهت تمایز بین دو مفهوم در فیزیک کوانتومی نامشخص است .

فرمیون ها می توانند ذرات بنیادی باشند مانند الکترون یا ترکیبی باشند مثل پروتون . همه ی فرمیون های مشاهده شده , دارای اسپین نیمه صحیح هستند برخلاف بوزون ها که اسپین صحیح دارند . در قضیه اسپین - آمار ، نشان داده می‌شود که یک تابع موج , با تعویض جای دو فرمیون همسان،منفی می‌شود. البته در سیستم‌های بوزونی، با جابه جایی دو بوزون، تابع موج هیچ تغییری نمی‌کند. در مدل استاندارد , دو گونه فرمیون بنیادی وجود دارد : کوارک ها و لپتون ها . در کل 24 فرمیون متفاوت وجود دارد : 6 کوارک و 6 لپتون , که هر کدام با پاد ذره ی متناظرش همراه است.

12 کوارک :
6 ذره ( u • d • s • c • b • t ) به همراه 6 پاد ذره ی متناظر (u • d • s • c • b • t )

12 لپتون :
6 ذره ( e− • μ− • τ− • νe • νμ • ντ ) به همراه 6 پاد ذره ی متناظر (e+ • μ+ • τ+ • νe • νμ • ντ)

فرمیون های مرکب , مانند پروتون ها و نوترون ها , بخش اساسی و ضروری ماده اند . فعل و انفعالات داخلی ضعیف فرمیون ها , می تواند همچنین رفتار بوزونی نشان دهد , مثلا" در ابر رسانایی .


تعریف و ویژگی های اساسی:
طبق تعریف , فرمیون ها ذراتی هستند که از آمار فرمی-دیراک تبعیت می کنند . ذراتی که بوسیله ی آمار فرمی-دیراک توصیف می شوند,از اصل طرد پاؤلی پیروی می کنند. به این معنی که تمایل ندارند در کنار هم قرار بگیرند , یعنی فرميون ها منزوي هستند و هیچ دو فرمیونی نمی تواند در یک لحظه ی معین , یک حالت کوانتومی را اشغال کنند . اين ذرات طبق اصل طرد پائولي هنگامي كه در يك حالت كوانتومي قرار مي گيرند همديگر را دفع مي كنند و اگر ذره اي در يك حالت كوانتومي خاص قرار گيرد مانع از آن مي شود كه ذره ديگري هم بتواند به آن حالت دسترسي يابد . این امر , باعث سختی و استحکام حالت هایی میشود که شامل فرمیون هستند ( هسته , اتمها , مولکولها و ... ) ؛ بنابراین گاهی اوقات گفته می شود که فرمیون ها بخش اصلی ماده هستند , در حالی که بوزون ها ذراتیند که فعل و انفعالات را انتقال می دهند ( حاملان نیرو ) یا بخش اصلی تشعشعاتند . میدان های کوانتومی فرمیون ها , که میدانهای فرمیونیک ( fermionic fields ) نامیده می شوند از روابط تبدیل متعارفی و استاندارد , پیروی می کنند .

اصل طرد پاولی درمورد فرمیون ها و استحکام ناشی از آن در ماده ,منجر می شود به پایداری لایه های الکترون و ترکیب اتم ها و بنابراین ساخت ترکیبات شیمی ممکن می شود . همچنین دلیلیست برای فشار داخلی ماده ی تبهگن که تا حد زیادی حالت تعادل کوتوله های سفید و ستاره های نوترونی را برقرار می کند.

تمام ذرات بنیادی داراى یك خصوصیت كوانتوم مكانیكى اند كه مى توان تقریباً آن را چرخش فرض كرد. فرمیون ها (الكترون ها، پروتون ها و نوترون ها) داراى چرخش هایى هستند كه مضارب نیمه صحیح اند؛ بدین معنا كه اگر بخواهیم با استعاره صحبت كنیم باید بگوئیم كه لازم است دو دور كامل بچرخند تا به وضعیت ابتدایى خویش بازگردند. بوزون ها (مثلاً فوتون ها) داراى چرخش هایى با مضرب صحیح (۰ ۱، ۲، و غیره) هستند.

در سیستم های بزرگ , تفاوت بین آمار بوزونی و فرمیونی تنها در چگالی های بالا وقتی در تابع های موج ,همپوشانی وجود داشته باشد , ظاهر می شود . در چگالی های پایین , هر دو آمار با تقریب خوبی توسط قاعده ی آماری ماکسول – بولتزمن جواب می دهند که توسط مکانیک کلاسیک بیان می شود .


فرمیون های بنیادی:
تمام ذرات بنیادی مشاهده شده یا فرمیون هستند یا بوزون . فرمیون های بنیادی شناخته شده به دو گروه تقسیم می شوند : کوارک ها و لپتون ها
کوارک ها , پروتون ها و نوترون ها و سایر باریون ها را می سازند که فرمیون های مرکبند . همچنین مزون ها را شامل می شوند که بوزون های مرکبند .
لپتون ها الکترون ها و ذرات سنگین ( muon لپتون های ناپایدار و tauon لپتون ها با بار منفی ) را شامل می شوند .


فرمیون های مرکب:
ذرات مرکب ( مانند هادرون ها , هسته ها و اتم ها ) می توانند بسته به اجزای اصلیشان , فرمیون یا بوزون باشند . به طور دقیق تر , به دلیل وابستگی بین اسپین و آمار , اگر ذره ای تعداد فردی فرمیون داشته باشد , خودش فرمیون است و اسپین نیمه صحیح خواهد داشت . برای مثال :
یک باریون مانند پروتون و نوترون , شامل سه کوارک فرمیونیست . بنابراین یک فرمیون است .
هسته ی اتم کربن-13 , شامل 6 پروتون و 7 نوترون است . بنابراین یک فرمیون است .
اتم هلیوم-3 (3 He) , از دو پروتون , یک نوترون و 2 الکترون تشکیل شده و بنابراین یک فرمیون است .

رفتار فرمیونی یا بوزونی یک ذره ( یا سیستم ) مرکب , تنها در فواصل طولانی ( در مقایسه با اندازه ی سیستم ) دیده می شود . هنگامی ساختار سه بعدی اهمیت می یابد که ذره ( یا سیستم ) مرکب , طبق ساختار تشکیل دهنده اش رفتار کند .

وقتی که فرمیون ها در مجاورت با جفتشان مرز ضعیفی داشته باشد ,می توانند از خود رفتار بوزونی نشان دهند. این , اساس ابر رسانایی و ابر شارگی هلیوم-3 است .


حالت چگالیده ی فرمیونی:
طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می شناختند که عبارت بودند از :جامد ، مایع و گاز . اما امروزه می دانیم که حداقل شش حالت برای ماده وجود دارد . این شش حالت عبارتند از :
جامد ، مایع ، گاز ، پلاسما ، حالت چگالیده بوز-انیشتین و حالت چگالیده فرمیونی

"دبورا جین" ( Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف حالت چگالیده فرمیونی شده‌ است، می‌گوید: "وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی 40 تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان می‌یابند و این ، نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دماهای پایین‌تر چه اتفاقی میافتد؟ هنوز نمیدانیم."

حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز-اینشتین است. هر دو حالت از اتم هایی تشکیل شده اند که این اتم ها در دمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند. در چگالش بوز-اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالی که در چگالش فرمیونی اتم ها ,فرمیون هستند. اين شكل از ماده چنان بديع است كه هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است. اما آنچه كه مسلم است اينست که این حالت در دماي بسيار پايين قابل دسترسي است.

اتمهاي پتاسيم با عدد جرمي ۴۰ , فرميون هستند زيرا داراي ۱۹ الكترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع اين سه عدد برابر ۵۹ ميشود.


دستیابی به حالت ششم ماده:
دکتر جین و همکارانش , براي دستيابي به حالت چگالیده ی فرمیونی،تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسيم با عدد جرمي ۴۰ را تا دمايي كمتر از يك ميليونيوم كلوين سرد كردند. اين دما بسيار نزديك به صفر مطلق است. در اين حالت اتمهاي پتاسيم بدون آنكه چسبندگي ميان آنها وجود داشته باشد، به صورت مايع جريان يافتند. براي مقابله با خواص ادغام ناپذيري فرميون مي‌توان از تأثير ميدان مغناطيسي بر آن استفاده كرد. ميدان مغناطيسي سبب مي‌شود فرميون‌هاي تنها جفت شوند قدرت اين پيوند را ميدان مغناطيسي تعيين مي‌كند.جفت اتم‌هاي پتاسيم برخي خواص فرميون را حفظ مي‌كنند ولي شبيه بوزونها‌ عمل مي كنند. يك جفت الكترون مي‌تواند در جفت ديگري ادغام شود و جفت تازه در جفتي ديگر ادغام شود و اين كار ادامه يابد تا سر انجام ماده چگال فرميوني شكل گيرد.
حالت‌هاي پنجم و ششم ماده تنها موادي هستند كه حركت مولكول‌هاي آنها بسيار آهسته است و در شرايط خاص آزمايشگاهي تهیه می شوند. اين مواد، كاربرد فراواني در علم و صنعت و مخصوصاً فناوري فضايي دارند . دانشمندان ،خواص اين مواد را قبل از كشف،پيش بيني کرده بودند ولي روش تهيه آنها براي دانشمندان مجهول بود اما با بررسي خواصشان مشخص شد كه براي تهيه اين مواد به يخچال‌هاي پيشرفته نياز است كه امكان ساخت آن تنها در دهه اخير مهيا شده است .اين يخچالها مي‌توانند دما را تا حد زيادي به صفر مطلق نزديك كنند.


ویژگی های حالت چگالیده ی فرمیونی:
از جمله خصوصيات منحصر به فرد چگال فرميوني مي‌توان به گران روي (غلظت) بسيار زياد آن اشاره كرد كه مشابه اين پديده را در ابر رساناها مي‌بينيم. در يك ابر رسانا جفت الكترون‌ها مي‌توانند بدون هيچ مقاومتي جريان يابند. اين ويژگي دانشمندان را اميدوار به ساختن ابر رساناهايي كرده كه در دماي اتاق قابل استفاده باشند.
الكترون ها به دليل اين كه خاصيت چسبندگي ميان آن نيست و به راحتي مي‌توانند جريان يابند و مانند يك ابر رساناي بسيار مدرن عمل كنند، مي‌توانند بدون آن كه با مقاومت الكتريكي مواجه شوند به راحتي جريان يابند.

بوزون (انگلیسی:Boson)،:
در فیزیک ذرات بوزون‌ها ذرات زیر اتمی هستند که از آمار بوز-اینشتین تبعیت میکنند. بوزون‌ها بر اساس نام ساتیندرا بوز و آلبرت اینشتین نام گذاری شده اند .در مقابل انها فرمیون‌ها هستند که از امار فرمی-دیراک تبعیت میکنند. چندین بوزون می‌توانند حالت کوانتومی مشابهی را اشغال کنند، بنا براین بوزون هایی با انرژی یکسان میتوانند مکان مشابهی را در فضا اشغال نمایند. بنابراین بوزون‌ها اغلب ذراتی هستند که حاملین نیرو هستند در حالیکه فرمیون‌ها معمولاً بخش اصلی ماده می باشند .

بوزون‌ها ممکن است ساده و مقدماتی باشند مثل فوتون ها یا مرکب باشند مثل مزون ها . همهٔ بوزون ها دارای اسپین صحیح هستند؛ بر خلاف فرمیون ها که دارای اسپین نیمه صحیح هستند .این مطابق است با قضیه اسپین-آمار که به این صورت بیان میشود :در تئوری میدان کوانتوم نسبیتی ذرات با اسپین صحیح بوزون هستند و ذرات با اسپین نیمه صحیح فرمیون هستند. بیشتر بوزون‌ها ذرات مرکب هستند. در مدل استاندارد ۵ بوزون وجود دارد که مقدماتی هستند :

۴ بوزون شاخص
(γ • g • W± • Z)
۱ بوزون هیگز
(H۰)
بوزون‌های مرکب در ابر شارگی و بعضی کاربردهای حالت چگالیدهٔ بوز-انیشتین مهم هستند.

تعریف و ویژگی‌های اساسی:
بر اساس تعریف، بوزون‌ها ذراتی هستند که از آمار بوز انیشتین تبعیت میکنند. وقتی جای ۲ بوزون با هم عوض میشود، تابع موج سیستم تغییری نمیکند در حالیکه فرمیون‌ها از آمار فرمی-دیراک و اصل طرد پاولی تبعیت میکنند.

خصوصیات لیزرها و میزرها(تقویت امواج میکرو ویو)، ابر شاره هلیوم-۴ و حالت چگالیدهٔ بوز-انیشتین، همگی از اثرات بوزون‌ها هستند.

نتیجه دیگر این است که اسپکتروم یک فوتونگازی شکل، در تعادل دما، پلانک-اسپکتروم نامیده میشود. مثل تابش جسم سیاه یا تابش زمینه کیهانی.

در همه نیروهایی که ما می شناسیم، فعل وانفعال‌های بوزون‌های مجازی وفرمیون‌ها ی حقیقی تعامل اساسی نامیده میشود. بوزون هایی که در این تعامل‌ها شرکت میکنند، بوزون‌های پیمانه ای نامیده میشوند.

همهٔ ذرات مقدماتی که ما میشناسیم یا بوزون هستند یا فرمیون، که بنا به اسپین آنها : ذرات با اسپین نیمه صحیح را فرمیون و ذرات با اسپین صحیح بوزون‌ها هستند. در کوانتوم مکانیکی این مشاهده کاملا تجربی است در حالیکه در کوانتوم نسبیتی بنا به قضیه اسپین-آمار، ذرات با اسپین نیمه صحیح نمی توانند بوزون و ذرات با اسپین صحیح نمی توانند فرمیون باشند.

در سیستم‌های بزرگ تفاوت میان تعداد بوزون‌ها و فرمیون‌ها فقط در غلظت‌های بالا معلوم میشود.

بوزون‌های مقدماتی:
همه ذرات بنیادی یا بوزون هستند یا فرمیون . بوزون‌های ساده یا مقدماتی مشاهده شده، بوزون‌های پیمانه ای هستند مثل فوتون‌ها و بوزون‌های w ، zو گلوئون .

فوتون‌ها حامل نیروی میدان مغناطیسی هستند.
بوزون هایz w، حامل نیروهای ضعیف هسته ای هستند.
گلوئون حامل نیروی بنیادین (نیروی قوی هسته ای) هستند.

در آخر، بسیاری از رویکردهای گرانش کوانتومی نیرویی برای گرانش در نظر می گیرد به نام graviton که یک بوزون با اسپین ۲ است .
بوزون‌های مرکب

ذرات مرکب مثل هسته و اتم می توانند بوزون یا فرمیون باشند، که بستگی به ترکیبات آنها دارد به طور دقیق به دلیل رابطه میان تعداد و اسپین، ذراتی که تعداد زوجی از فرمیون‌ها را حمل می‌کند یک بوزون هستند تا وقتی که اسپین صحیح دارند .

مثال‌های دیگر شامل موارد زیر است:

یک مزون که شامل ۲ فرمیون کوارک است یک بوزون است.
هسته اتم کربن-۱۲ که شامل ۶ پروتون و ۶ نوترون است، یک بوزون است.
اتم هلیوم-۴ که تشکیل شده از ۲ پروتون و ۲نوترون و۲ الکترون، یک بوزون است .

تعدادی از بوزون‌ها از ذرات مرکب تشکیل شده اند مثلا از ذرات ساده که پتانسیل محدودی دارند و این که یک بوزون باشد یا فرمیون تاثیری ندارد.