Virtuelles Teilchen

Feynman-Diagramm der Coulomb-Streuung zweier Elektronen. Die vier geraden Linien symbolisieren die einlaufenden bzw. auslaufenden Elektronen, die diese verbindende Wellenlinie das virtuelle Photon, das die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt.

Virtuelle oder intermediäre Teilchen sind ein Konzept aus der Quantenfeldtheorie, das im Kontext von Feynman-Diagrammen auftritt, die oft zur Illustration von Teilchenwechselwirkungen herangezogen werden. Im Rahmen einer solchen Illustration kann man sich ein virtuelles Teilchen als einen kurzlebigen Zwischenzustand vorstellen, der während einer Wechselwirkung auftritt, sie damit auch beeinflusst, nach außen aber niemals sichtbar (observabel) wird.

Definition

Virtuelle Teilchen treten bei jeder Art von Wechselwirkung zwischen Teilchen auf, zumindest in höherer Ordnung der quantenfeldtheoretischen Störungsrechnung. Somit sind sie Bestandteile von Feynman-Diagrammen, die jeweils einem bestimmten Term der quantenfeldtheoretischen Störungsrechnung entsprechen. Ein solches Diagramm besteht aus verschiedenen Linien, die sich an Knotenpunkten, den Vertices, treffen. Die äußeren Linien (solche, die ein freies Ende haben) werden als ein- bzw. auslaufende Teilchen interpretiert, die inneren Linien (solche ohne freies Ende) als virtuelle Teilchen.

Im Kontext der Vakuumfluktuationen werden Feynman-Diagramme ohne äußere Linien betrachtet, in denen also Teilchen aus dem Vakuum entstehen und wieder zerfallen und so zur Vakuumenergie beitragen. Hier treten ausschließlich virtuelle Teilchen auf.

Eigenschaften

Prinzipiell kann jedes Teilchen auch als virtuelles Teilchen in einem Feynmandiagramm auftreten, typische Beispiele sind Eichbosonen als Vermittler von Wechselwirkungen, sogenannte Austauschteilchen. So wird z. B. in der Quantenelektrodynamik die elektromagnetische Wechselwirkung zweier Elektronen durch den Austausch eines virtuellen Photons vermittelt.

Ein wesentlicher Unterschied zu den (real beobachtbaren) ein- oder auslaufenden Teilchen ist, dass virtuelle Teilchen keine definierte Masse besitzen, im Fachjargon: sie sind nicht auf die Massenschale limitiert (sie sind nicht „on-shell“), die Relation $ E^{2}-p^{2}=m^{2} $ (in Einheiten mit Lichtgeschwindigkeit c=1) muss nicht erfüllt sein. Diese Tatsache steht mathematisch im Zusammenhang mit der kurzen Lebensdauer virtueller Teilchen und der daraus resultierenden Unschärfe der Energie. Daher können z. B. W-Bosonen als virtuelle Teilchen auch in Prozessen niedriger Energie auftreten, wie etwa beim radioaktiven Beta-Zerfall, obwohl sie aufgrund ihrer großen Masse als reale Teilchen erst bei viel höherer Energie produziert werden können. In derselben Weise ist es auch möglich, dass Hinweise auf die Existenz sehr schwerer Teilchen bereits beobachtet werden, bevor die Beschleunigertechnologie ausreicht, sie auch zu produzieren.

Zitate

• Frank Wilczek: "Virtuelle Teilchen sind spontane Fluktuationen eines Quantenfeldes. Reale Teilchen sind Anregungen eines Quantenfeldes mit einer für Beobachtung brauchbaren Beständigkeit. Virtuelle Teilchen sind Transienten, die in unseren Gleichungen erscheinen, nicht aber in Messgeräten. Durch Energiezufuhr können spontane Fluktuationen über einen Schwellwert verstärkt werden, was bewirkt, dass (eigentlich sonst) virtuelle Teilchen zu realen Teilchen werden."^[1]

Einzelnachweise