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Antiteilchen

Elementarteilchen existieren in zwei Formen, als 'normales' Teilchen und als Antiteilchen. 'Normal' ist dabei konventionell das Teilchen, das in der uns umgebenden Materie vorkommt. Beispielsweise ist das Antiteilchen des Elektrons das Positron. Die beiden Teilchen unterscheiden sich in ihrer elektrischen Ladung, sind aber in Masse, Spin und magnetischem Moment identisch. Dem Elektron wird die Leptonenzahl 1, dem Positron -1 zugeordnet.

Trifft ein Teilchen mit seinem Antiteilchen zusammen, kommt es oft zur Annihilation. Ein Elektron und ein Positron zerstrahlen zu zwei oder drei Photonen. Proton und Antiproton vernichten sich zu mehreren Pionen. Umgekehrt kann ein Photon in ein Elektron und ein Positron umgewandelt werden, man spricht dabei von Paarbildung.

Inhaltsverzeichnis

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), magnetisches Moment, Baryonenzahl, Leptonenzahl usw. dem Teilchen entgegengesetzt ist. Die nichtadditiven Quantenzahlen, wie z. B. der Spin sind hingegen, ebenso wie die Masse, die Lebensdauer, usw. identisch.

Sind sämtliche additiven Quantenzahlen eines Teilchens Null, so ist das Teilchen sein eigenes Antiteilchen. Dies ist beim Photon und dem neutralen Pion π0 der Fall.

Antiteilchen werden als Symbole in Formeln mit einem Querstrich gekennzeichnet, also beispielsweise:

- Proton - Antiproton

Geschichtliches

Das erste bekannte Antiteilchen war das Positron, das von 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 Elektronen beschreibt, hat sowohl Lösungen mit positiver Energie E = + mc2 als auch mit negativer Energie E = − mc2. Damit stellt sich zunächst die Frage, warum ein Teilchen mit positiver Energie nicht unter Abstrahlung von 2mc2 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 Feynman-Stückelberg-Interpretation beruht auf der Vorstellung, dass Antiteilchen Teilchen sind, die sich rückwärts in der Zeit bewegen.

Literatur

Lisa Randall, Verborgene Universen. S. Fischer Verlag, 2006

Siehe auch

Antiwasserstoff, Antimaterie