Antiteilchen
Elementarteilchen existieren in zwei Formen, als normales Teilchen und als Antiteilchen. Die beiden Teilchen haben entgegengesetzte elektrische Ladungen und entgegengesetzte Parität. Ihre Masse, ihr Spin und ihr magnetisches Moment sind identisch. Als normal wird das Teilchen angesehen, das in der uns umgebenden Materie vorkommt, und als Antiteilchen das Teilchen mit der entgegengesetzten Ladung. Antiteilchen sind die Bausteine der Antimaterie. Beispielsweise ist das Positron das Antiteilchen des normalen Elektrons. Dem Elektron wird die Leptonenzahl 1, dem Positron −1 zugeordnet.
Trifft ein Teilchen mit seinem Antiteilchen zusammen, kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Annihilation: Proton und Antiproton vernichten sich zu mehreren Pionen, Elektron und Positron zerstrahlen zu zwei oder drei Photonen. Umgekehrt kann ein Photon in ein Elektron und ein Positron umgewandelt werden, man spricht dabei von Paarbildung.
Theorie
Das Konzept der Antiteilchen ergibt sich aus der Quantenphysik, genauer aus der Quantenfeldtheorie. Darin existiert aus Symmetriegründen zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen, welches in seinen additiven Quantenzahlen wie Ladung (elektrische Ladung, Farbladung, schwache Ladung), Baryonenzahl, Leptonenzahl usw. dem Teilchen entgegengesetzt ist. Hingegen sind die nichtadditiven Quantenzahlen wie z. B. der Spin, die Masse, die Lebensdauer, usw. identisch.
Sind sämtliche additiven Quantenzahlen eines Teilchens Null, so ist das Teilchen sein eigenes Antiteilchen. Dies ist z.B. der Fall beim Photon, beim Z0 und beim neutralen Pion π0.
Antiteilchen werden als Formelzeichen mit einem Querstrich gekennzeichnet, also beispielsweise:
$ \ p $ – Proton $ {\bar {p}} $ – Antiproton
Geschichte
Das erste bekannte Antiteilchen war das Positron, das von Paul Dirac 1928 theoretisch vorhergesagt und von Anderson 1932 entdeckt wurde. Die Antiteilchen der anderen beiden stabilen Materiebestandteile, das Antiproton und das Antineutron, wurden 1955 bzw. 1956 entdeckt.
Deutungen
Die Dirac-Gleichung, welche unter anderem Elektronen beschreibt, hat sowohl Lösungen mit positiver Energie $ E=+mc^{2} $ als auch mit negativer Energie $ E=-mc^{2} $. Damit stellt sich zunächst die Frage, warum ein Teilchen mit positiver Energie nicht unter Abstrahlung von $ 2mc^{2} $ in den Zustand negativer Energie übergeht. Diracs Deutung war, dass alle negativen Energiezustände besetzt sind (Dirac-See). Die Paarbildung ist dann das Anheben eines Teilchens vom negativen in den positiven Energiezustand. Der unbesetzte negative Energiezustand, das Loch, wird als Antiteilchen beobachtbar.
Die Deutung mit Hilfe des Dirac-Sees wurde von der Feynman-Stückelberg-Interpretation abgelöst. Diese beruht auf der Vorstellung, dass Teilchen mit negativer Energie sich rückwärts in der Zeit bewegen. Mathematisch ist dies äquivalent zu einem Antiteilchen mit positiver Energie, welches sich vorwärts in der Zeit bewegt.
Siehe auch
Literatur
- Lisa Randall: Verborgene Universen. Fischer Verlag, Frankfurt am Main 2006, ISBN 3-10-062805-5.
Weblinks
Commons: Antiparticles – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien