Feynman-diagrammi, yhdysvaltalaisen teoreettisen fyysikon Richard P. Feynmanin 1940- ja 50-luvuilla keksimä graafinen menetelmä alkeishiukkasten vuorovaikutusten esittämiseksi. Feynman-diagrammit otettiin käyttöön kvanttisähködynamiikan teoriaa kehitettäessä apuvälineeksi elektronien ja fotonien sähkömagneettisten vuorovaikutusten vaikutusten havainnollistamiseen ja laskemiseen, mutta nykyään Feynman-diagrammeja käytetään kaikentyyppisten hiukkasvuorovaikutusten kuvaamiseen.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Feynman-diagrammi on kaksiulotteinen esitys, jossa yksi akseli, yleensä vaaka-akseli, valitaan kuvaamaan avaruutta, kun taas toinen (pystysuora) akseli esittää aikaa. Suoria viivoja käytetään kuvaamaan fermioneja – perustavanlaatuisia hiukkasia, joilla on puolen kokonaisluvun arvoinen ominainen kiertomomentti (spin), kuten elektronit (e-) – ja aaltoviivoja käytetään bosoneja – hiukkasia, joilla on kokonaisluvun arvoinen spin, kuten fotonit (γ). Käsitteellisellä tasolla fermioneja voidaan pitää ”aineen” hiukkasina, jotka kokevat bosonien, niin sanottujen ”voimankantajien” eli kenttähiukkasten, vaihdosta syntyvän voiman vaikutuksen.
Kvanttitasolla fermionien vuorovaikutukset tapahtuvat aineen perustavanlaatuisiin vuorovaikutuksiin, erityisesti sähkömagneettiseen voimaan, vahvaan voimaan ja heikkoon voimaan, liittyvien kenttähiukkasten emittoimisen ja absorboivan vaikutuksen kautta. Perusvuorovaikutus näkyy siis Feynmanin diagrammissa ”vertexinä” eli kolmen viivan risteymänä. Näin esimerkiksi elektronin kulku näkyy kahtena suorana viivana, jotka on yhdistetty kolmanteen, aaltoilevaan viivaan, jossa elektroni lähettää tai absorboi fotonin. (Katso kuva.)
Fyysikot käyttävät Feynmanin kaavioita tehdäkseen hyvin tarkkoja laskelmia jonkin tietyn prosessin todennäköisyydestä, kuten esimerkiksi elektronin ja elektronin sironnasta kvanttisähködynamiikassa. Laskelmien on sisällettävä termejä, jotka vastaavat kaikkia kaaviossa esitettyjä viivoja (jotka edustavat eteneviä hiukkasia) ja kaikkia kärkipisteitä (jotka edustavat vuorovaikutuksia). Koska tiettyä prosessia voidaan esittää monilla mahdollisilla Feynmanin kaavioilla, jokaisen mahdollisen kaavion osuus on otettava huomioon laskettaessa kokonaistodennäköisyyttä, että tietty prosessi tapahtuu. Näiden laskutoimitusten tulosten vertailu kokeellisiin mittauksiin on paljastanut poikkeuksellisen suuren tarkkuuden, joissain tapauksissa jopa yhdeksän merkitsevän numeron tarkkuudella.
Yksinkertaisimmissa Feynman-diagrammeissa on vain kaksi kärkeä, jotka kuvaavat kenttähiukkasen emissiota ja absorptiota. (Katso kuva.) Tässä kaaviossa elektroni (e-) emittoi fotonin pisteessä V1, ja tämä fotoni absorboituu hieman myöhemmin toiseen elektroniin pisteessä V2. Fotonin emissio aiheuttaa ensimmäisen elektronin takaiskun avaruudessa, kun taas fotonin energian ja impulssin absorptio aiheuttaa vastaavanlaisen poikkeaman toisen elektronin liikeradassa. Tämän vuorovaikutuksen tuloksena hiukkaset liikkuvat avaruudessa poispäin toisistaan.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Eräs Feynmanin kaavioiden kiehtova piirre on se, että antihiukkaset esitetään tavallisina ainehiukkasina, jotka liikkuvat ajassa taaksepäin – toisin sanoen niin, että nuolen pää on käännetty niitä kuvaavilla viivoilla. Esimerkiksi toisessa tyypillisessä vuorovaikutuksessa (kuvassa) elektroni törmää antihiukkaseensa, positroniin (e+), ja molemmat annihiloituvat. Törmäyksessä syntyy fotoni, joka muodostaa avaruudessa kaksi uutta hiukkasta: myonin (μ-) ja sen antihiukkasen, antimuonin (μ+). Molemmat antihiukkaset (e+ ja μ+) esitetään hiukkasina, jotka liikkuvat ajassa taaksepäin, eli nuolenkärjet ovat käänteiset.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Kompleksisemmat Feynmanin kaaviot, joihin liittyy useiden hiukkasten emissio ja absorptio, ovat myös mahdollisia, kuten kuvassa on esitetty. Tässä kaaviossa kaksi elektronia vaihtaa kahta erillistä fotonia, jolloin syntyy neljä erilaista vuorovaikutusta V1:ssä, V2:ssa, V3:ssa ja V4:ssä.
Encyclopædia Britannica, Inc.