Kvantfältteorier

Kvantfältteorier är en grupp teoretiska ramverk som förenar kvantteori med fältteori. I dessa modeller beskrivs naturens fundamentala interaktioner som egenskaper hos fält som finns över hela rumtiden. Partiklar uppträder som kvanta excitations av fälten, så foton är excitations av det elektromagnetiska fältet och elektronens fält ger upphov till fermioner.

Den centrala idén är relativistisk kvantfältteori. Genom gauge-symmetrier uppkommer interaktioner via utbytespartiklar (gauge bosons). I Standardmodellen byggs krafterna på U(1) för elektromagnetism, SU(2) för svag interaktion och SU(3) för stark interaktion. Higgs-mekanismen förklarar hur partiklar får massa genom spontan symmetrisk brytning.

Kvantisering kan göras genom kanonisk kvantisering eller genom Feynman-sökvägsintegraler. För låga energier används ofta effektiva fältteorier, medan renormalisering hanterar oändligheter och gör förutsägelser robusta.

QFT är mycket framgångsrik för elektromagnetisk, svag och stark interaktion, och dess förutsägelser överensstämmer med experiment i stor utsträckning. Gravitationen har däremot inte ännu en fullständig renormaliserbar kvantfältteori inom denna ram, vilket driver forskning mot kvantgravitation eller strängteori. Viktiga öppna frågor inkluderar hierarkiproblemet, färgkonfinement i QCD och naturen hos mörk materia.

Tillämpningar finns även inom kondenserad materia där liknande fältbaserade modeller beskriver emergenta fenomen, samt i kosmologi där fält används för att modellera inflation och universums tidiga utveckling. Kvantfältteorier utgör kärnan i modern teoretisk fysik och fortsätter driva forskning mot en djupare förståelse av naturens krafter.