Feynman-diagram, een grafische methode om de interacties van elementaire deeltjes weer te geven, uitgevonden in de jaren 40 en 50 door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard P. Feynman. Geïntroduceerd tijdens de ontwikkeling van de theorie van kwantumelektrodynamica als hulpmiddel voor het visualiseren en berekenen van de effecten van elektromagnetische interacties tussen elektronen en fotonen, worden Feynman-diagrammen nu gebruikt om alle soorten deeltjesinteracties weer te geven.
Een Feynman-diagram is een tweedimensionale weergave waarin één as, meestal de horizontale as, wordt gekozen om de ruimte weer te geven, terwijl de tweede (verticale) as de tijd vertegenwoordigt. Rechte lijnen worden gebruikt om fermionen weer te geven - fundamentele deeltjes met half-integer waarden van intrinsiek impulsmoment (spin), zoals elektronen (e -) - en golvende lijnen worden gebruikt voor bosonen - deeltjes met integere spinwaarden, zoals fotonen (γ). Op conceptueel niveau kunnen fermionen worden beschouwd als "materiedeeltjes", die het effect ervaren van een kracht die ontstaat door de uitwisseling van bosonen, de zogenaamde "krachtdrager" of velddeeltjes.
Op kwantumniveau vinden de interacties van fermionen plaats door de emissie en absorptie van de velddeeltjes die verband houden met de fundamentele interacties van materie, in het bijzonder de elektromagnetische kracht, de sterke kracht en de zwakke kracht. De basisinteractie verschijnt daarom op een Feynman-diagram als een "hoekpunt" - ie, een kruising van drie lijnen. Op deze manier verschijnt het pad van een elektron bijvoorbeeld als twee rechte lijnen verbonden met een derde, golvende lijn waar het elektron een foton uitzendt of absorbeert. (Zie de afbeelding.)
Feynman-diagrammen worden door natuurkundigen gebruikt om zeer nauwkeurige berekeningen te maken van de waarschijnlijkheid van een bepaald proces, zoals elektronen-elektronverstrooiing, bijvoorbeeld in de kwantumelektrodynamica. De berekeningen moeten termen bevatten die gelijk zijn aan alle lijnen (die zich voortplantende deeltjes voorstellen) en alle hoekpunten (die interacties vertegenwoordigen) die in het diagram worden weergegeven. Aangezien een bepaald proces kan worden weergegeven door veel mogelijke Feynman-diagrammen, moeten bovendien de bijdragen van elk mogelijk diagram worden ingevoerd in de berekening van de totale waarschijnlijkheid dat een bepaald proces zal plaatsvinden. Vergelijking van de resultaten van deze berekeningen met experimentele metingen heeft een buitengewone nauwkeurigheid onthuld, met in sommige gevallen overeenstemming met negen significante cijfers.
De eenvoudigste Feynman-diagrammen hebben betrekking op slechts twee hoekpunten, die de emissie en absorptie van een velddeeltje vertegenwoordigen. (Zie de figuur.) In dit diagram zendt een elektron (e -) een foton uit bij V 1, en dit foton wordt dan iets later geabsorbeerd door een ander elektron bij V 2. De emissie van het foton zorgt ervoor dat het eerste elektron zich terugtrekt in de ruimte, terwijl de absorptie van de energie en het momentum van het foton een vergelijkbare afbuiging veroorzaakt in het pad van het tweede elektron. Het resultaat van deze interactie is dat de deeltjes in de ruimte van elkaar af bewegen.
Een intrigerend kenmerk van Feynman-diagrammen is dat antideeltjes worden weergegeven als gewone materiedeeltjes die achteruit in de tijd bewegen - dat wil zeggen met de pijlkop omgekeerd op de lijnen die ze weergeven. In een andere typische interactie (weergegeven in de afbeelding) botst een elektron bijvoorbeeld met zijn antideeltje, een positron (e +), en beide worden vernietigd. Door de botsing ontstaat een foton, dat vervolgens twee nieuwe deeltjes in de ruimte vormt: een muon (μ -) en zijn antideeltje, een antimuon (μ +). In het diagram van deze interactie worden beide antideeltjes (e + en μ +) weergegeven als hun corresponderende deeltjes die achteruit in de tijd bewegen (naar het verleden).
Meer complexe Feynman-diagrammen, waarbij de emissie en absorptie van veel deeltjes betrokken zijn, zijn ook mogelijk, zoals weergegeven in de figuur. In dit diagram wisselen twee elektronen twee afzonderlijke fotonen uit, wat resulteert in vier verschillende interacties bij respectievelijk V 1, V 2, V 3 en V 4.
