Imagen: Ejemplo sencillo de un diagrama de Feynman.
El electrón e y el positrón e+ tienen una masa en reposo de aproximadamente 0,511 MeV. Cuando estas dos partículas se aniquilan, su masa total se convierte en energía. Esta energía se libera en forma de dos fotones γ, cada uno de los cuales tiene una energía de 0,511 MeV.
Crédito de la imagen: dominio público.
Los diagramas de Feynman son poderosas herramientas gráficas utilizadas en la física de partículas para representar diferentes procesos físicos (variedad de eventos y fenómenos), como la difusión, la aniquilación y la creación de partículas. Cada proceso se describe mediante un conjunto específico de reglas asociadas con las interacciones entre partículas. Fueron introducidos por el físico estadounidense Richard Feynman (1918-1988) en la década de 1940.
Antes de la introducción de los diagramas de Feynman, los cálculos en el campo de la teoría cuántica de campos (QFT) eran difíciles de visualizar. En TQC, las partículas ya no se consideran puntos puntuales, sino manifestaciones locales de un campo cuántico. Cada tipo de partícula está asociada a un campo cuántico que llena todo el espacio. Por ejemplo, el electrón está asociado al campo electrónico.
Los diagramas de Feynman se utilizan para calcular las amplitudes de probabilidad de diferentes procesos cuánticos (túnel cuántico, transiciones electrónicas, decoherencia, entrelazamiento, desintegración, etc.). Cada diagrama contribuye a la probabilidad total de un proceso, y las contribuciones de todos los diagramas relevantes se suman para obtener la probabilidad total del proceso considerado.
En el diagrama de Feynman anterior, las propiedades de las partículas entrantes y salientes se pueden medir.
Su energía o momento debe respetar la ecuación de equivalencia masa-energía de Einstein (E2 - p2 c2 = m2c4). Esta interacción permite que los electrones intercambien masa y energía, lo que lleva a su aniquilación.
El electrón e y el positrón e+ tienen una masa en reposo de aproximadamente 0,511 MeV. Cuando estas dos partículas se aniquilan, su masa total se convierte en energía. Esta energía se libera en forma de dos fotones γ, cada uno de los cuales tiene una energía de 0,511 MeV.
El electrón y el positrón tienen momentos iguales pero opuestos. Cuando estas dos partículas se aniquilan, su impulso total se convierte en el impulso de los dos fotones. Los fotones se emiten en direcciones opuestas, lo que permite conservar el impulso.
Los fotones se producen cuando los electrones desaparecen.
Las líneas representan una partícula.
El color de la línea representa el tipo de partícula. Por ejemplo, las líneas azules representan electrones, las líneas verdes representan fotones, las líneas rojas representan quarks, etc.
- Las líneas continuas representan fermiones (electrones y quarks).
- Las líneas onduladas representan los bosones de calibre (fotones y bosones W/Z) acompañados de su símbolo.
- Las líneas de puntos representan los intercambios de partículas virtuales, como los intercambios de gluones en las interacciones entre quarks. El bosón de Higgs está representado por una línea de puntos acompañada de su símbolo.
- Las líneas de doble flecha representan antipartículas (positrones, antiprotones, etc.), que son las antimateria asociadas a las partículas ordinarias.
- Las líneas onduladas con flechas bidireccionales representan partículas neutras (neutrón, neutrino, fotón) que pueden interactuar con partículas cargadas positiva o negativamente.
- Las líneas con etiquetas específicas representan partículas exóticas específicas de determinadas teorías (axiones, taquiones).
Las flechas en los diagramas de Feynman no indican la dirección del tiempo de las partículas. Simplemente indican el tipo de partícula. Sin embargo, es común representar que las partículas ordinarias se mueven hacia el futuro y las antipartículas se mueven hacia el pasado.
- Los fermiones están representados por una línea flechada. La flecha apunta al futuro para las partículas ordinarias y al pasado para las antipartículas.
- Los antifermiones están representados por una línea flechada con una flecha en la dirección opuesta. La flecha apunta al pasado para las partículas ordinarias y al futuro para las antipartículas.
El vértice representa un punto en el espacio-tiempo donde interactúan las partículas. Están representados por puntos de conexión donde se cruzan las líneas de partículas.
Los vértices son ubicaciones específicas en un diagrama de Feynman por donde entran o salen líneas de partículas.
- Para la interacción electromagnética, que implica el intercambio de fotones, el vértice generalmente está representado por un punto donde una línea de partícula (por ejemplo, un electrón) emite o absorbe un fotón. La representación gráfica puede parecer una bifurcación donde una línea se divide en dos.
- En la interacción fuerte entre quarks, el vértice está representado por una línea de partículas (quark) que emiten o absorben un gluón. Los gluones, los portadores de fuerza de la interacción fuerte, también están representados por líneas, y el vértice puede parecerse a una bifurcación similar a la de la interacción electromagnética.
- Las interacciones débiles, como la desintegración beta, involucran a los bosones W y Z. Los vértices asociados con estas interacciones pueden representarse mediante líneas de partículas que emiten o absorben estos bosones.
Las líneas entre los vértices representan la propagación de partículas en el espacio y el tiempo. Cada línea que conecta dos vértices corresponde a la trayectoria de una partícula específica entre estos dos puntos de interacción.
- La línea entre vértices sigue una dirección específica, indicando la dirección del tiempo en la que se propaga la partícula. En un diagrama típico, el tiempo avanza de izquierda a derecha. Una línea de partículas de izquierda a derecha representa una partícula que se propaga hacia el futuro.
- Las líneas entre los vértices se trazan de forma que se respeten las leyes de conservación de cargas y otras cantidades físicas. Las partículas entrantes y salientes en un proceso determinado deben satisfacer estas reglas de conservación.
- En algunos casos, las líneas entre los vértices pueden representar el intercambio de partículas virtuales, que no son directamente observables pero que son importantes para los cálculos de amplitudes de probabilidad.
Los números cuánticos como la carga eléctrica, el sabor y el momento angular (giro) están representados por partículas y sus interacciones. Los números cuánticos son características intrínsecas de las partículas subatómicas. No cambian con el tiempo y no dependen del estado de una partícula. En los diagramas de Feynman, los números cuánticos se representan mediante símbolos específicos. La carga eléctrica está representada por un círculo, el sabor está representado por una letra y el momento angular está representado por una flecha.
- La carga eléctrica de una partícula suele representarse con la letra "q". Puede ser positivo, negativo o cero. Un electrón se representa con una carga negativa (-). Los positrones, que son las antipartículas de los electrones, tienen carga positiva (+).
- El sabor se refiere al tipo de partícula, ya sea un quark de un determinado sabor (superior, inferior, extraño, encantador, superior, inferior) o un leptón de una determinada generación (electrón, muón, tau). El número cuántico de sabor a menudo se indica con la letra "f" en el contexto del sabor de partículas. Por ejemplo, para los diferentes tipos de neutrinos, usamos f = 1, 2, 3 para los sabores electrónico, muónico y tauónico respectivamente.
- El momento angular, también llamado espín, suele representarse con la letra "s" o el símbolo "S". El giro se expresa en unidades de ħ (h bar), la constante de Planck reducida. Los posibles valores de giro incluyen 0, 1/2, 1, etc.
Los fermiones (partículas con un espín de 1/2) suelen representarse mediante líneas continuas. Los bosones de calibre (partículas con un espín de 1) suelen representarse mediante líneas onduladas. Los bosones de Higgs (partículas con espín 0) se pueden representar mediante líneas especiales en algunos diagramas.
- El número cuántico magnético se utiliza para describir la orientación del momento angular de una partícula en un campo magnético. A menudo se indica con la letra "m" o "m_s".
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