Feynman-Diagramm, eine grafische Methode zur Darstellung der Wechselwirkungen von Elementarteilchen, die in den 1940er und 1950er Jahren vom amerikanischen theoretischen Physiker Richard P. Feynman erfunden wurde. Feynman-Diagramme wurden während der Entwicklung der Theorie der Quantenelektrodynamik als Hilfsmittel zur Visualisierung und Berechnung der Auswirkungen elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Photonen eingeführt und werden nun zur Darstellung aller Arten von Teilchenwechselwirkungen verwendet.
Ein Feynman-Diagramm ist eine zweidimensionale Darstellung, bei der eine Achse, normalerweise die horizontale Achse, zur Darstellung des Raums ausgewählt wird, während die zweite (vertikale) Achse die Zeit darstellt. Gerade Linien werden verwendet, um Fermionen darzustellen - Grundpartikel mit halbzahligen Werten des intrinsischen Drehimpulses (Spin) wie Elektronen (e -) - und Wellenlinien werden für Bosonen verwendet - Partikel mit ganzzahligen Spinwerten wie Photonen (γ). Auf konzeptioneller Ebene können Fermionen als "Materie" -Partikel betrachtet werden, die die Wirkung einer Kraft erfahren, die durch den Austausch von Bosonen entsteht, sogenannte "Kraftträger" - oder Feldpartikel.
Auf der Quantenebene treten die Wechselwirkungen von Fermionen durch die Emission und Absorption der Feldteilchen auf, die mit den grundlegenden Wechselwirkungen der Materie verbunden sind, insbesondere der elektromagnetischen Kraft, der starken Kraft und der schwachen Kraft. Die grundlegende Wechselwirkung erscheint daher in einem Feynman-Diagramm als „Scheitelpunkt“, dh als Übergang von drei Linien. Auf diese Weise erscheint der Weg eines Elektrons beispielsweise als zwei gerade Linien, die mit einer dritten Wellenlinie verbunden sind, auf der das Elektron ein Photon emittiert oder absorbiert. (Siehe die Abbildung.)
Feynman-Diagramme werden von Physikern verwendet, um die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Prozesses sehr genau zu berechnen, beispielsweise durch Elektronen-Elektronen-Streuung in der Quantenelektrodynamik. Die Berechnungen müssen Terme enthalten, die allen Linien (die sich ausbreitende Partikel darstellen) und allen im Diagramm gezeigten Eckpunkten (die Wechselwirkungen darstellen) entsprechen. Da ein gegebener Prozess durch viele mögliche Feynman-Diagramme dargestellt werden kann, müssen außerdem die Beiträge jedes möglichen Diagramms in die Berechnung der Gesamtwahrscheinlichkeit eines bestimmten Prozesses einbezogen werden. Der Vergleich der Ergebnisse dieser Berechnungen mit experimentellen Messungen ergab ein außerordentliches Maß an Genauigkeit, wobei in einigen Fällen neun signifikante Stellen übereinstimmten.
Die einfachsten Feynman-Diagramme umfassen nur zwei Eckpunkte, die die Emission und Absorption eines Feldteilchens darstellen. (Siehe Abbildung.) In diesem Diagramm emittiert ein Elektron (e -) ein Photon bei V 1, und dieses Photon wird dann etwas später von einem anderen Elektron bei V 2 absorbiert. Die Emission des Photons bewirkt, dass sich das erste Elektron im Raum zurückzieht, während die Absorption der Energie und des Impulses des Photons eine vergleichbare Ablenkung im Weg des zweiten Elektrons bewirkt. Das Ergebnis dieser Wechselwirkung ist, dass sich die Partikel im Raum voneinander entfernen.
Ein faszinierendes Merkmal von Feynman-Diagrammen ist, dass Antiteilchen als gewöhnliche Materieteilchen dargestellt werden, die sich in der Zeit rückwärts bewegen - das heißt, die Pfeilspitze ist auf den Linien, die sie darstellen, umgekehrt. Beispielsweise kollidiert bei einer anderen typischen Wechselwirkung (in der Abbildung gezeigt) ein Elektron mit seinem Antiteilchen, einem Positron (e +), und beide werden vernichtet. Durch die Kollision entsteht ein Photon, das anschließend zwei neue Teilchen im Raum bildet: ein Myon (μ -) und sein Antiteilchen, ein Antimuon (μ +). Im Diagramm dieser Wechselwirkung sind beide Antiteilchen (e + und μ +) als ihre entsprechenden Teilchen dargestellt, die sich zeitlich rückwärts (in Richtung Vergangenheit) bewegen.
Wie in der Abbildung gezeigt, sind auch komplexere Feynman-Diagramme möglich, bei denen viele Partikel emittiert und absorbiert werden. In diesem Diagramm tauschen zwei Elektronen zwei separate Photonen aus und erzeugen vier verschiedene Wechselwirkungen bei V 1, V 2, V 3 bzw. V 4.
