Feynman diagram, een grafische methode om de interacties van elementaire deeltjes weer te geven, uitgevonden in de jaren ’40 en ’50 door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard P. Feynman. Geïntroduceerd tijdens de ontwikkeling van de theorie van de kwantumelektrodynamica als een hulpmiddel voor het visualiseren en berekenen van de effecten van elektromagnetische interacties tussen elektronen en fotonen, worden Feynman-diagrammen nu gebruikt om alle soorten deeltjesinteracties weer te geven.

Britannica Quiz

All About Physics Quiz

Wie was de eerste wetenschapper die een experiment met een gecontroleerde nucleaire kettingreactie uitvoerde? Wat is de meeteenheid voor cycli per seconde? Test je natuurkundig inzicht met deze quiz.

Een diagram van Feynman is een tweedimensionale voorstelling waarbij één as, gewoonlijk de horizontale as, wordt gekozen om de ruimte voor te stellen, terwijl de tweede (verticale) as de tijd voorstelt. Rechte lijnen worden gebruikt om fermionen-fundamentele deeltjes met half-integer waarden van intrinsiek impulsmoment (spin), zoals elektronen (e-)-en golvende lijnen worden gebruikt voor bosonen-deeltjes met gehele waarden van spin, zoals fotonen (γ). Op een conceptueel niveau kunnen fermionen worden beschouwd als “materie”-deeltjes, die het effect ondervinden van een kracht die ontstaat uit de uitwisseling van bosonen, zogenaamde “krachtdrager”- of velddeeltjes.

Op kwantumniveau vinden de interacties van fermionen plaats door de emissie en absorptie van de velddeeltjes die geassocieerd zijn met de fundamentele interacties van materie, in het bijzonder de elektromagnetische kracht, de sterke kracht, en de zwakke kracht. De basisinteractie verschijnt daarom op een Feynman-diagram als een “hoekpunt” – d.w.z. een knooppunt van drie lijnen. Zo verschijnt het pad van een elektron bijvoorbeeld als twee rechte lijnen die verbonden zijn met een derde, golvende lijn waar het elektron een foton uitzendt of absorbeert. (Zie de figuur.)

Feynman-diagrammen worden door natuurkundigen gebruikt om zeer nauwkeurige berekeningen te maken van de waarschijnlijkheid van een bepaald proces, zoals bijvoorbeeld de verstrooiing tussen elektronen en elektronen, in de kwantum-elektrodynamica. De berekeningen moeten termen bevatten die equivalent zijn aan alle lijnen (die voortplantende deeltjes voorstellen) en alle hoekpunten (die interacties voorstellen) die in het diagram worden weergegeven. Bovendien moeten, aangezien een bepaald proces door vele mogelijke Feynman-diagrammen kan worden voorgesteld, de bijdragen van elk mogelijk diagram worden opgenomen in de berekening van de totale waarschijnlijkheid dat een bepaald proces zal plaatsvinden. Vergelijking van de resultaten van deze berekeningen met experimentele metingen heeft een buitengewone nauwkeurigheid aan het licht gebracht, met in sommige gevallen overeenstemming tot op negen significante cijfers.

De eenvoudigste diagrammen van Feynman bevatten slechts twee hoekpunten, die de emissie en absorptie van een velddeeltje voorstellen. (Zie de figuur.) In dit diagram zendt een elektron (e-) een foton uit bij V1, en dit foton wordt even later geabsorbeerd door een ander elektron bij V2. De emissie van het foton veroorzaakt een terugslag in de ruimte van het eerste elektron, terwijl de absorptie van de energie en het momentum van het foton een vergelijkbare afbuiging veroorzaakt in de baan van het tweede elektron. Het resultaat van deze wisselwerking is dat de deeltjes zich in de ruimte van elkaar verwijderen.

Een intrigerend kenmerk van de Feynman-diagrammen is dat antideeltjes worden voorgesteld als gewone materiedeeltjes die achteruit bewegen in de tijd – dat wil zeggen, met de pijlpunten omgekeerd op de lijnen die hen afbeelden. Bijvoorbeeld, in een andere typische interactie (getoond in de figuur), botst een elektron met zijn antideeltje, een positron (e+), en beiden worden geannihileerd. Bij de botsing ontstaat een foton, dat vervolgens in de ruimte twee nieuwe deeltjes vormt: een muon (μ-) en zijn antideeltje, een antimuon (μ+). In het diagram van deze wisselwerking worden beide antideeltjes (e+ en μ+) voorgesteld als hun overeenkomstige deeltjes die achteruit in de tijd (naar het verleden) bewegen.

Er zijn ook complexere Feynman-diagrammen mogelijk, waarbij sprake is van de emissie en absorptie van vele deeltjes, zoals in de figuur is te zien. In dit diagram wisselen twee elektronen twee afzonderlijke fotonen uit, waarbij vier verschillende interacties ontstaan bij respectievelijk V1, V2, V3 en V4.