Kvantfältteorin

Kvantfältteori är den övergripande ramen för att beskriva naturens fundamentala krafter och partiklar som kvantiserade excitationsfält. I stället för att se partiklar som punktlika objekt behandlas varje typ av partikel som en kvant av ett motsvarande fält. Fälten sträcker sig över rumtiden och följer principerna för kvantmekanik och speciell relativitet.

Interaktioner mellan partiklar uppstår genom att fälten utbyter kvanta av andra fält. De mest kända interaktionerna beskrivs av gauge-teorier där kommunikationsfältet kallas gauge-bosoner; foton för elektromagnetism, gluoner för stark interaktion samt W- och Z-bosoner för svag interaktion. Gauge-symmetrier bestämmer interaktionernas struktur och konstanters natur. I praktiken används ofta renormaliation för att hantera divergenta bidrag och få meningsfulla förutsägelser.

Två huvudformalismer används inom kvantfältteori: kanonisk kvantisering och väg-integralformulering (Feynman-diagram). Dessa metoder gör det möjligt att räkna sannolikheter för processer vid relativistiska energier och små avstånd.

Standardmodellen av partikelfysik är en kvantfältteoretisk uppbyggnad som beskriver elektromagnetism, svag och stark kraft genom gauge-teorier med kvarkar, leptoner och deras gauge-bosoner samt Higgsfältet. Mekanismen för spontan symmetry breaking ger partiklar massa, och Higgsbosonen bekräftades experimentellt 2012 som viktig stödjande bevis.

Användningsområden sträcker sig till partikelfysik, kosmologi och kondenserad materia, där fenomen som emergenta excitations och många-kropps-systems beteenden kan beskrivas med kvantfältteoretiska metoder. Begränsningar inkluderar att gravitationen inte ännu integrerats i en fullständig kvantfältteori; kvantgravitationen är ett aktivt forskningsområde och kvantfältteori fungerar ofta som en effektiv beskrivning upp till höga energier.