Diagramme de Feynman, méthode graphique de représentation des interactions des particules élémentaires, inventée dans les années 1940 et 1950 par le physicien théoricien américain Richard P. Feynman. Introduit pendant le développement de la théorie de l’électrodynamique quantique comme une aide pour visualiser et calculer les effets des interactions électromagnétiques entre électrons et photons, les diagrammes de Feynman sont maintenant utilisés pour représenter tous les types d’interactions entre particules.

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Un diagramme de Feynman est une représentation bidimensionnelle dans laquelle un axe, généralement l’axe horizontal, est choisi pour représenter l’espace, tandis que le second axe (vertical) représente le temps. Des lignes droites sont utilisées pour représenter les fermions – particules fondamentales ayant des valeurs demi-entières de moment angulaire intrinsèque (spin), comme les électrons (e-) – et des lignes ondulées sont utilisées pour les bosons – particules ayant des valeurs entières de spin, comme les photons (γ). Au niveau conceptuel, les fermions peuvent être considérés comme des particules de « matière », qui subissent l’effet d’une force résultant de l’échange de bosons, des particules dites « porteuses de force », ou particules de champ.

Au niveau quantique, les interactions des fermions se produisent par l’émission et l’absorption des particules de champ associées aux interactions fondamentales de la matière, en particulier la force électromagnétique, la force forte et la force faible. L’interaction fondamentale apparaît donc sur un diagramme de Feynman comme un « sommet », c’est-à-dire une jonction de trois lignes. De cette façon, le trajet d’un électron, par exemple, apparaît comme deux lignes droites reliées à une troisième ligne, ondulée, où l’électron émet ou absorbe un photon. (Voir la figure.)

Les diagrammes de Feynman sont utilisés par les physiciens pour effectuer des calculs très précis de la probabilité de tout processus donné, comme la diffusion électron-électron, par exemple, en électrodynamique quantique. Les calculs doivent inclure des termes équivalents à toutes les lignes (représentant les particules qui se propagent) et à tous les sommets (représentant les interactions) figurant dans le diagramme. En outre, comme un processus donné peut être représenté par de nombreux diagrammes de Feynman possibles, les contributions de chaque diagramme possible doivent être prises en compte dans le calcul de la probabilité totale qu’un processus particulier se produise. La comparaison des résultats de ces calculs avec les mesures expérimentales a révélé un niveau de précision extraordinaire, avec un accord à neuf chiffres significatifs dans certains cas.

Les diagrammes de Feynman les plus simples ne comportent que deux sommets, représentant l’émission et l’absorption d’une particule de champ. (Voir la figure.) Dans ce diagramme, un électron (e-) émet un photon à V1, et ce photon est ensuite absorbé un peu plus tard par un autre électron à V2. L’émission du photon provoque le recul du premier électron dans l’espace, tandis que l’absorption de l’énergie et de la quantité de mouvement du photon provoque une déviation comparable de la trajectoire du second électron. Le résultat de cette interaction est que les particules s’éloignent les unes des autres dans l’espace.

Une caractéristique intrigante des diagrammes de Feynman est que les antiparticules sont représentées comme des particules de matière ordinaires se déplaçant en arrière dans le temps-c’est-à-dire avec la tête de la flèche inversée sur les lignes qui les représentent. Par exemple, dans une autre interaction typique (illustrée sur la figure), un électron entre en collision avec son antiparticule, un positron (e+), et les deux sont annihilés. Un photon est créé par la collision, et il forme ensuite deux nouvelles particules dans l’espace : un muon (μ-) et son antiparticule, un antimuon (μ+). Dans le diagramme de cette interaction, les deux antiparticules (e+ et μ+) sont représentées comme leurs particules correspondantes se déplaçant en arrière dans le temps (vers le passé).

Des diagrammes de Feynman plus complexes, impliquant l’émission et l’absorption de nombreuses particules, sont également possibles, comme le montre la figure. Dans ce diagramme, deux électrons échangent deux photons distincts, produisant quatre interactions différentes à V1, V2, V3 et V4, respectivement.

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