💡 Diagrammes de Feynman — QED

Les lignes droites avec des flèches représentent des fermions : une flèche pointant vers l'avant dans le temps est un électron, et une flèche inversée (dessinée comme si elle remontait le temps) représente son antiparticule, le positron. Les lignes ondulées représentent des photons, les vecteurs de force de l'interaction électromagnétique ; une ligne ondulée en pointillés marque un photon virtuel échangé entre particules mais jamais détecté directement. Les points, appelés sommets, marquent les endroits où les particules interagissent, et chaque sommet contribue d'un facteur de la constante de couplage à l'amplitude de probabilité de l'interaction.

La diffusion de Møller montre deux électrons identiques (e⁻ + e⁻ → e⁻ + e⁻) échangeant un seul photon virtuel dans ce qu'on appelle un processus de canal t, et comme les deux électrons sortants sont indiscernables, il est impossible de dire quel électron entrant est devenu quel électron sortant. La diffusion de Bhabha implique en revanche un électron et un positron (e⁻ + e⁺ → e⁻ + e⁺) ; en plus du même échange de photon en canal t, la paire peut aussi s'annihiler momentanément en un photon virtuel et se reformer via un processus en canal s, et les deux contributions interfèrent de manière quantique.

L'animation montre un électron entrant et un photon entrant se rencontrant à un sommet, après quoi l'électron continue brièvement comme propagateur virtuel (en pointillés) avant qu'un second sommet n'émette un photon sortant et un électron sortant. Cela correspond à la physique réelle de l'effet Compton, dans lequel un photon transfère une partie de son énergie et de sa quantité de mouvement à un électron et ressort avec une longueur d'onde plus longue — une preuve historique que la lumière se comporte à la fois comme une particule et une onde.

Dans la production de paires, un photon entrant (nécessitant au moins 1,022 MeV, soit deux fois l'énergie de masse au repos de l'électron) interagit près d'un noyau lourd, qui absorbe la quantité de mouvement de recul, et se convertit entièrement en une paire électron-positron via E = mc². Le diagramme d'annihilation exécute ce processus en sens inverse conceptuellement : un électron et un positron entrants se rencontrent à un sommet et s'annihilent en un photon virtuel, qui se désintègre lui-même en deux photons sortants réels — deux étant nécessaires pour que la quantité de mouvement soit conservée dans le référentiel du centre de masse.

Le diagramme d'auto-énergie montre une seule ligne d'électron entrant, émettant brièvement un photon virtuel qu'il réabsorbe ensuite plus loin sur son trajet (dessiné ici comme un arc avec une boucle de photon en dessous), et continuant comme le même électron. Cette boucle est une correction quantique d'ordre supérieur au propagateur de l'électron qui modifie effectivement sa masse et sa charge mesurées ; comme ces boucles produisent formellement des quantités divergentes, les physiciens les traitent par une procédure appelée renormalisation.