Imagem: Exemplo simples de diagrama de Feynman.
O e-elétron e o pósitron e+ têm uma massa de repouso de aproximadamente 0,511 MeV. Quando estas duas partículas se aniquilam, a sua massa total é convertida em energia. Essa energia é liberada na forma de dois fótons gama, cada um com energia de 0,511 MeV.
Crédito da imagem: Domínio público.
Os diagramas de Feynman são ferramentas gráficas poderosas usadas na física de partículas para representar diferentes processos físicos (variedade de eventos e fenômenos), como difusão, aniquilação e criação de partículas. Cada processo é descrito por um conjunto específico de regras associadas às interações entre partículas. Eles foram introduzidos pelo físico americano Richard Feynman (1918-1988) na década de 1940.
Antes da introdução dos diagramas de Feynman, os cálculos no campo da teoria quântica de campos (QFT) eram difíceis de visualizar. No TQC, as partículas não são mais consideradas pontos pontuais, mas como manifestações locais de um campo quântico. Cada tipo de partícula está associada a um campo quântico que preenche todo o espaço. Por exemplo, o elétron está associado ao campo eletrônico.
Os diagramas de Feynman são usados para calcular as amplitudes de probabilidade de diferentes processos quânticos (tunelamento quântico, transições eletrônicas, decoerência, emaranhamento, decaimento, etc.). Cada diagrama contribui para a probabilidade total de um processo, e as contribuições de todos os diagramas relevantes são somadas para obter a probabilidade total do processo considerado.
No diagrama de Feynman acima, as propriedades das partículas que entram e saem são mensuráveis.
Sua energia ou momento deve respeitar a equação de equivalência massa-energia de Einstein (E2 - p2 c2 = m2c4). Essa interação permite que os elétrons troquem massa e energia, levando à sua aniquilação.
O e-elétron e o pósitron e+ têm uma massa de repouso de aproximadamente 0,511 MeV. Quando estas duas partículas se aniquilam, a sua massa total é convertida em energia. Essa energia é liberada na forma de dois fótons gama, cada um com energia de 0,511 MeV.
O elétron e o pósitron têm momento igual, mas oposto. Quando estas duas partículas se aniquilam, o seu momento total é convertido no momento dos dois fotões. Os fótons são emitidos em direções opostas, permitindo a conservação do momento.
Os fótons são produzidos quando os elétrons desaparecem.
As linhas representam uma partícula.
A cor da linha representa o tipo de partícula. Por exemplo, as linhas azuis representam os elétrons, as linhas verdes representam os fótons, as linhas vermelhas representam os quarks, etc.
- As linhas sólidas representam férmions (elétrons e quarks).
- As linhas onduladas representam os bósons de calibre (fótons e bósons W/Z) acompanhados do seu símbolo.
- As linhas pontilhadas representam as trocas de partículas virtuais, como as trocas de glúons nas interações entre quarks. O bóson de Higgs é representado por uma linha pontilhada acompanhada de seu símbolo.
- As linhas com setas duplas representam antipartículas (pósitron, antipróton, etc.), que são os parceiros de antimatéria das partículas comuns.
- Linhas onduladas com setas bidirecionais representam partículas neutras (nêutrons, neutrinos, fótons) que podem interagir com partículas carregadas positiva ou negativamente.
- Linhas com rótulos específicos representam partículas exóticas específicas de certas teorias (áxions, táquions).
As setas nos diagramas de Feynman não indicam a direção do tempo das partículas. Eles simplesmente indicam o tipo de partícula. No entanto, é comum representar as partículas comuns como se movendo em direção ao futuro e as antipartículas como se movendo em direção ao passado.
- Os férmions são representados por uma linha com seta. A seta aponta para o futuro para as partículas comuns e para o passado para as antipartículas.
- Os antiférmions são representados por uma linha com seta na direção oposta. A seta aponta para o passado para as partículas comuns e para o futuro para as antipartículas.
O vértice representa um ponto no espaço-tempo onde as partículas interagem. Eles são representados por pontos de conexão onde as linhas de partículas se cruzam.
Vértices são locais específicos em um diagrama de Feynman onde as linhas de partículas entram ou saem.
- Para interação eletromagnética, envolvendo troca de fótons, o vértice é geralmente representado por um ponto onde uma linha de partícula (por exemplo, um elétron) emite ou absorve um fóton. A representação gráfica pode parecer uma bifurcação onde uma linha se divide em duas.
- Na forte interação entre quarks, o vértice é representado por uma linha de partículas (quark) emitindo ou absorvendo um glúon. Os glúons, portadores de força da interação forte, também são representados por linhas, e o vértice pode se assemelhar a uma bifurcação semelhante à da interação eletromagnética.
- Interações fracas, como o decaimento beta, envolvem os bósons W e Z. Os vértices associados a essas interações podem ser representados por linhas de partículas que emitem ou absorvem esses bósons.
As linhas entre os vértices representam a propagação das partículas no espaço e no tempo. Cada linha conectando dois vértices corresponde à trajetória de uma partícula específica entre esses dois pontos de interação.
- A linha entre os vértices segue uma direção específica, indicando a direção do tempo em que a partícula está se propagando. Num diagrama típico, o tempo avança da esquerda para a direita. Uma linha de partículas da esquerda para a direita representa uma partícula se propagando para o futuro.
- As linhas entre os vértices são traçadas de forma a respeitar as leis de conservação de cargas e outras grandezas físicas. As partículas que entram e saem num determinado processo devem satisfazer estas regras de conservação.
- Em alguns casos, as linhas entre os vértices podem representar a troca de partículas virtuais, que não são diretamente observáveis, mas são importantes para cálculos de amplitudes de probabilidade.
Números quânticos como carga elétrica, sabor e momento angular (spin) são representados por partículas e suas interações. Os números quânticos são características intrínsecas das partículas subatômicas. Eles não mudam com o tempo e não dependem do estado de uma partícula. Nos diagramas de Feynman, os números quânticos são representados por símbolos específicos. A carga elétrica é representada por um círculo, o sabor é representado por uma letra e o momento angular é representado por uma seta.
- A carga elétrica de uma partícula é frequentemente representada pela letra “q”. Pode ser positivo, negativo ou zero. Um elétron é representado com uma carga negativa (-). Os pósitrons, que são as antipartículas dos elétrons, têm carga positiva (+).
- Sabor refere-se ao tipo de partícula, seja um quark de determinado sabor (top, bottom, estranho, charme, top, bottom) ou um lepton de uma determinada geração (elétron, múon, tau). O número quântico do sabor é frequentemente indicado pela letra “f” no contexto do sabor da partícula. Por exemplo, para os diferentes tipos de neutrinos, usamos f = 1, 2, 3 para os sabores eletrônico, muônico e tauônico respectivamente.
- O momento angular, também chamado de spin, é frequentemente representado pela letra “s” ou pelo símbolo “S”. O spin é expresso em unidades de ħ (h bar), a constante de Planck reduzida. Os valores de rotação possíveis incluem 0, 1/2, 1, etc.
Férmions (partículas com spin de 1/2) são geralmente representados por linhas sólidas. Os bósons de calibre (partículas com spin 1) são geralmente representados por linhas onduladas. Os bósons de Higgs (partículas com spin 0) podem ser representados por linhas especiais em alguns diagramas.
- O número quântico magnético é usado para descrever a orientação do momento angular de uma partícula num campo magnético. Muitas vezes é denotado pela letra "m" ou "m_s".
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