Quantenfeldtheorie

Quantenfeldtheorie (QFT) ist das zentrale Framework der modernen Teilchenphysik, das Quantenmechanik mit der Speziellen Relativitätstheorie verbindet. In QFT sind Felder die fundamentalen Entitäten; jedes Feld hat Quanten, die als Teilchen auftreten. Wechselwirkungen entstehen durch den Austausch von Gaugebosonen, die mit entsprechenden Gaugesymmetrien verbunden sind.

Die Dynamik wird meist durch einen Lagrange- oder Hamiltonianformalismus beschrieben; Quantisierung erfolgt kanonisch oder über Pfadintegrale. Berechnungen von Streuungen nutzt man häufig mithilfe von Feynman-Diagrammen, die Wechselwirkungen graphisch darstellen. Gauge-Theorien mit Symmetrien wie U(1), SU(2) und SU(3) bilden das Rückgrat des Standardmodells, das elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen beschreibt. Der Higgs-Mechanismus liefert Massen für W- und Z-Bosonen sowie für Fermionen durch Yukawa-Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld.

Renormierbarkeit ist ein zentrales Qualitätskriterium der Theorie; das Standardmodell ist renormalisierbar und liefert außerordentlich präzise Vorhersagen. QFT ermöglicht die Behandlung von Prozessen über unterschiedliche Energie- und Längenskalen hinweg mittels Renormalisierung und effektiver Feldtheorien. Nichtperturbative Methoden wie die Lattice Gauge Theory (Gitter-QCD) ermöglichen Berechnungen in stark gekoppelten Bereichen, etwa der Quark- und Gluon-Dynamik.

Grenzen bestehen: Die Gravitation wird in der Standard-Quantenfeldtheorie nicht renormalisierbar beschrieben; eine vollständige Theorie der Quantengravitation ist Gegenstand laufender Forschung, etwa in Ansätzen wie der Stringtheorie. Historisch entwickelte sich QFT aus Arbeiten von Dirac, Feynman, Schwinger und Tomonaga in den 1940er bis 1960er Jahren.