Kwantumveldentheorieën

Kwantumveldentheorieën zijn de fundamentele theorieën die de interacties tussen elementaire deeltjes beschrijven via kwantisatie van velden. In deze theorieën bestaan velden overal in ruimte en tijd; excitaties van deze velden manifesteren zich als deeltjes. Interacties tussen deeltjes verlopen via uitwisseling van velddeeltjes, de zogenoemde gauge-bosonen.

Een kernkenmerk is het gebruik van lokale symmetrieën en gauge-theorieën. De krachten worden gedragen door gauge-bosonen; elektromagnetisme door de foton, de zwakke interactie door de W± en Z0, en de sterke interactie door gluonen. Het Higgs-veld geeft massa aan sommige deeltjes door spontane symmetriebreking.

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is een belangrijke kwantumveldentheorie die de elektromagnetische, zwakke en sterke krachten verenigt. QED (elektromagnetische interactie) is zeer nauwkeurig bevestigd; QCD beschrijft quarks en gluonen, en de electroweak theorie verenigt zwakke en elektromagnetische krachten. Daarnaast spelen concepten als renormalisatie en het Higgs-boson een cruciale rol, waarvan de ontdekking in 2012 werd bevestigd.

Naast het Standaardmodel bestaan er efficiënte veldentheorieën en mogelijke uitbreidingen zoals grand-unificatie en supersymmetrie, die op hogere energieniveaus zouden kunnen gelden. Gravitatie wordt nog niet in een volwaardige kwantumveldentheorie verwerkt; benaderingen zoals quantum gravity en stringtheorie proberen dit op te lossen.

Kwantumveldentheorieën vormen het fundament van de moderne deeltjesfysica en hebben ook toepassingen in gecondenseerde materie en andere gebieden waar veldtheorieën verschillende verschijnselen beschrijven. Ze leveren nauwkeurige voorspellingskaders en bieden een raamwerk voor het begrijpen van natuurverschijnselen op microscopisch niveau.