Feynman-Diagramm, eine grafische Methode zur Darstellung der Wechselwirkungen von Elementarteilchen, erfunden in den 1940er und 50er Jahren von dem amerikanischen theoretischen Physiker Richard P. Feynman. Eingeführt während der Entwicklung der Theorie der Quantenelektrodynamik als Hilfsmittel zur Veranschaulichung und Berechnung der Auswirkungen elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Photonen, werden Feynman-Diagramme heute zur Darstellung aller Arten von Teilchenwechselwirkungen verwendet.

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Ein Feynman-Diagramm ist eine zweidimensionale Darstellung, bei der eine Achse, in der Regel die horizontale Achse, den Raum und die zweite (vertikale) Achse die Zeit darstellt. Gerade Linien werden verwendet, um Fermionen darzustellen – Elementarteilchen mit halbzahligen Werten des Eigendrehimpulses (Spin), wie z. B. Elektronen (e-) – und Wellenlinien werden für Bosonen verwendet – Teilchen mit ganzzahligen Werten des Spins, wie z. B. Photonen (γ). Auf einer konzeptionellen Ebene können Fermionen als „Materie“-Teilchen betrachtet werden, die die Wirkung einer Kraft erfahren, die aus dem Austausch von Bosonen, so genannten „Kraftträger“- oder Feldteilchen, entsteht.

Auf der Quantenebene erfolgen die Wechselwirkungen der Fermionen durch die Emission und Absorption der Feldteilchen, die mit den grundlegenden Wechselwirkungen der Materie, insbesondere der elektromagnetischen Kraft, der starken Kraft und der schwachen Kraft, verbunden sind. Die grundlegende Wechselwirkung erscheint daher in einem Feynman-Diagramm als „Scheitelpunkt“, d. h. als Kreuzung von drei Linien. So erscheint beispielsweise der Weg eines Elektrons als zwei gerade Linien, die mit einer dritten, wellenförmigen Linie verbunden sind, an der das Elektron ein Photon aussendet oder absorbiert. (Siehe Abbildung.)

Feynman-Diagramme werden von Physikern verwendet, um sehr genaue Berechnungen der Wahrscheinlichkeit eines beliebigen Prozesses anzustellen, wie z. B. der Elektron-Elektron-Streuung in der Quantenelektrodynamik. Die Berechnungen müssen Terme enthalten, die allen im Diagramm dargestellten Linien (die sich ausbreitende Teilchen darstellen) und allen Eckpunkten (die Wechselwirkungen darstellen) entsprechen. Da ein bestimmter Prozess durch viele mögliche Feynman-Diagramme dargestellt werden kann, müssen die Beiträge aller möglichen Diagramme in die Berechnung der Gesamtwahrscheinlichkeit für das Eintreten eines bestimmten Prozesses einfließen. Der Vergleich der Ergebnisse dieser Berechnungen mit experimentellen Messungen hat ein außerordentliches Maß an Genauigkeit ergeben, mit einer Übereinstimmung auf neun signifikante Stellen in einigen Fällen.

Die einfachsten Feynman-Diagramme haben nur zwei Eckpunkte, die die Emission und Absorption eines Feldteilchens darstellen. (Siehe Abbildung.) In diesem Diagramm emittiert ein Elektron (e-) ein Photon an V1, und dieses Photon wird dann etwas später von einem anderen Elektron an V2 absorbiert. Die Emission des Photons bewirkt einen Rückstoß des ersten Elektrons im Raum, während die Absorption der Energie und des Impulses des Photons eine vergleichbare Ablenkung auf der Bahn des zweiten Elektrons bewirkt. Das Ergebnis dieser Wechselwirkung ist, dass sich die Teilchen im Raum voneinander wegbewegen.

Ein interessantes Merkmal der Feynman-Diagramme ist, dass Antiteilchen als gewöhnliche Materieteilchen dargestellt werden, die sich in der Zeit rückwärts bewegen, d.h. mit umgekehrter Pfeilspitze auf den Linien, die sie darstellen. In einer anderen typischen Wechselwirkung (in der Abbildung dargestellt) kollidiert beispielsweise ein Elektron mit seinem Antiteilchen, einem Positron (e+), und beide werden vernichtet. Bei der 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 werden die beiden Antiteilchen (e+ und μ+) als ihre entsprechenden Teilchen dargestellt, die sich in der Zeit rückwärts (in die Vergangenheit) bewegen.

Komplexere Feynman-Diagramme, die die Emission und Absorption vieler Teilchen beinhalten, sind ebenfalls möglich, wie in der Abbildung dargestellt. In diesem Diagramm tauschen zwei Elektronen zwei getrennte Photonen aus, was zu vier verschiedenen Wechselwirkungen an V1, V2, V3 und V4 führt.