Feynman-diagram, az elemi részecskék kölcsönhatásainak grafikus ábrázolási módszere, amelyet Richard P. Feynman amerikai elméleti fizikus talált ki az 1940-es és 50-es években. A Feynman-diagramot a kvantumelektrodinamika elméletének kidolgozása során az elektronok és fotonok közötti elektromágneses kölcsönhatások hatásainak szemléltetésére és kiszámítására szolgáló segédeszközként vezették be, ma már a részecskék kölcsönhatásainak minden típusának ábrázolására használják.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A Feynman-diagram egy kétdimenziós ábrázolás, amelyben az egyik tengely, általában a vízszintes tengely a teret, míg a második (függőleges) tengely az időt jelképezi. Az egyenes vonalakat a fermionok – a belső szögimpulzus (spin) fél egész értékével rendelkező alapvető részecskék, például az elektronok (e-) -, a hullámos vonalakat pedig a bozonok – a spin egész értékével rendelkező részecskék, például a fotonok (γ) – ábrázolására használják. Fogalmi szinten a fermionok olyan “anyag” részecskéknek tekinthetők, amelyek a bozonok, az úgynevezett “erőhordozó” vagy mező részecskék cseréjéből eredő erő hatását tapasztalják.
Kvantumszinten a fermionok kölcsönhatásai az anyag alapvető kölcsönhatásaihoz, különösen az elektromágneses erőhöz, az erős erőhöz és a gyenge erőhöz kapcsolódó mező részecskék kibocsátása és elnyelése révén jönnek létre. Az alapvető kölcsönhatás ezért a Feynman-diagramon “csúcsként” – azaz három vonal csomópontjaként – jelenik meg. Így például egy elektron útja két egyenes vonalként jelenik meg, amelyeket egy harmadik, hullámos vonal köt össze, ahol az elektron fotont bocsát ki vagy nyel el. (Lásd az ábrát.)
A Feynman-diagramokat a fizikusok arra használják, hogy nagyon pontos számításokat végezzenek egy adott folyamat, például az elektron-elektron szórás valószínűségére vonatkozóan a kvantumelektrodinamikában. A számításoknak tartalmazniuk kell az összes (a terjedő részecskéket jelképező) vonalnak és az összes (a kölcsönhatásokat jelképező) csúcsnak megfelelő kifejezéseket, amelyek a diagramon szerepelnek. Ezenkívül, mivel egy adott folyamatot sok lehetséges Feynman-diagrammal lehet ábrázolni, az összes lehetséges diagram hozzájárulását bele kell adni annak a teljes valószínűségnek a kiszámításába, hogy egy adott folyamat bekövetkezik. E számítások eredményeinek a kísérleti mérésekkel való összehasonlítása rendkívüli pontosságot mutatott, egyes esetekben kilenc szignifikáns számjegy pontosságú egyezést.”
A legegyszerűbb Feynman-diagramok csak két csúcsot tartalmaznak, amelyek egy térrészecske emisszióját és abszorpcióját ábrázolják. (Lásd az ábrát.) Ebben az ábrában egy elektron (e-) a V1 pontban egy fotont bocsát ki, majd ezt a fotont valamivel később egy másik elektron a V2 pontban elnyeli. A foton kibocsátása az első elektron térbeli visszahatását okozza, míg a foton energiájának és impulzusának elnyelése hasonló eltérést okoz a második elektron pályáján. A kölcsönhatás eredménye, hogy a részecskék a térben eltávolodnak egymástól.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A Feynman-diagramok egyik érdekes tulajdonsága, hogy az antirészecskéket az időben visszafelé mozgó közönséges anyagrészecskékként ábrázolják – vagyis az őket ábrázoló vonalakon a nyílhegy fordítva van. Például egy másik tipikus kölcsönhatásban (az ábrán látható) egy elektron ütközik antirészecskével, egy pozitronnal (e+), és mindkettő megsemmisül. Az ütközés során egy foton keletkezik, amely ezt követően két új részecskét alkot a térben: egy müont (μ-) és antirészecskéjét, egy antimuont (μ+). A kölcsönhatás diagramján mindkét antirészecske (e+ és μ+) úgy van ábrázolva, mint az időben visszafelé (a múlt felé) mozgó megfelelő részecskék.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Még bonyolultabb Feynman-diagramok is lehetségesek, amelyek sok részecske kibocsátását és elnyelését tartalmazzák, ahogy az ábrán látható. Ezen az ábrán két elektron két különálló fotont cserél ki, ami négy különböző kölcsönhatást eredményez a V1, V2, V3 és V4 pontokon.
Encyclopædia Britannica, Inc.