Virtuelle Teilchen
Jede Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen wird durch den Austausch eines Teilchens (Austauschteilchen) vermittelt.
Beispiele für solche Wechselwirkungsprozesse sind elektromagnetische Streuprozesse, der Beta-Zerfall (schwacher Prozess) oder der Zusammenhalt der Quarks aufgrund der starken Wechselwirkung. Ein Beispiel für ein nach diesen Regeln dargestelltes Diagramm zeigt das unten stehende Bild. Die Zeitachse ist hierbei noch als Hilfe eingetragen.

Ein Elektron (e- unten links) und sein Antiteilchen, ein Positron (e+ oben links) laufen ein, und ein Elektron und ein Positron laufen wieder heraus. Die elektromagnetische Wechselwirkung wird dabei durch den Austausch eines Photons vermittelt. Dies stellt also eine Elektron-Positron Streuung dar.

 

Zeitachse zeigt nach rechts, Kreuzungspunkte heißen Vertex

Einen Verbindungspunkt mehrerer Linien nennt man Vertex (Plural Vertices). An diesen Wechselwirkungspunkten müssen Energie- und Impulserhaltungssatz gelten.Äußere Linien haben entweder am Anfangs- oder am Endpunkt genau einen Vertex, bei inneren Linien berühren Anfang und Ende je einen (oder bei Schleifen auch den gleichen) Vertex. Teilchen auf inneren Linien nennt man virtuell. In diesem Beispiel gibt es genau eine innere Linie, das ausgetauschte Photon.

Man nennt innere Linien virtuelle Teilchen, weil sie nicht direkt meßbar sind, sondern sich nur indirekt über die Energie- und Impulsänderung der beobachtbaren Teilchen bemerkbar machen. Sie können dabei beliebige Mengen von Energie E und Impuls p unabhängig voneinander übertragen und werden daher im allgemeinen nicht mit ihrer "normalen" Masse produziert. Das Massenquadrat m2 in der Beziehung

m2c4 = E2 - p2c2

ist also beliebig (und kann sogar negativ werden!). Alle sonstigen Eigenschaften der Austauschteilchen (Ladung, Eigendrehimpuls etc.) sind jedoch unverändert, und sie sind daher jeweils als Photon, Gluon, etc. identifizierbar.
Die beiden Abbildungen rechts sollen noch einmal den prinzipiellen Auf bau eines Feynman-Diagramms erläutern: äußere Linien (rot und blau) entsprechen Teilchen, die beobachtbar sind Beispiele für beobachtbare 'Teilchen'
  • Die äußeren Linien entsprechen den experimentell beobachtbaren Teilchen vor (blaue Pfeile) und nach (rote Pfeile) einem Wechselwirkungsprozess. Als Beispiel ist daneben die Paarvernichtung eines Elektrons (e-) mit einem Positron (e+) in zwei Photonen () dargestellt.
  • Die inneren Linien beschreiben den Wechselwirkungsprozess und sind hier durch ein schwarzes Feld verborgen.Dies soll zum Ausdruck bringen, dass es viele verschiedene Möglichkeiten für den Ablauf einer Wechselwirkung gibt, im Grunde sogar unendlich viele, wie wir später sehen werden. Man muß die Summe aller Möglichkeiten in jedem schwarzem Feld betrachten, um zu den richtigen Vorhersagen zu kommen.

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