Antiteilchen

Viele Arten von Elementarteilchen existieren in zwei Formen, als normale Teilchen und als Antiteilchen. Beispielsweise ist das Positron das Antiteilchen des normalen Elektrons. Masse, Lebensdauer und Spin eines Teilchens und seines Antiteilchens sind gleich, ebenfalls Art und Stärke ihrer Wechselwirkungen. Hingegen sind elektrische Ladung, magnetisches Moment und alle ladungsartigen Quantenzahlen entgegengesetzt gleich. So hat das Elektron die Leptonenzahl 1, das Positron −1. Die Parität von Teilchen und Antiteilchen ist gleich bei Bosonen, entgegengesetzt bei Fermionen. Teilchen, deren ladungsartige Quantenzahlen sämtlich Null sind, sind ihre eigenen Antiteilchen.

Wegen der vollkommenen Symmetrie können sich Antiteilchen genauso zu Antimaterie zusammenschließen wie die normalen Teilchen zur normalen Materie.

Trifft ein Teilchen mit einem 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. Es beruht auf dem CPT-Theorem, demzufolge die Feldgleichungen aus sehr fundamentalen Gründen invariant gegenüber einer CPT-Transformation sein müssen. Das ist die Kombination einer Vorzeichenumkehr aller Arten von Ladungen (Ladungskonjugation C), einer Spiegelung des Raumes (Parität P), und einer Umkehr der Zeitrichtung (Zeitumkehr T). Aufgrund dieser Invarianz beschreiben die Feldgleichungen zu jedem möglichen Zustand und jedem möglichen Prozess einen gleichartigen, der durch die CPT-Transformation aus ihm hervorgeht. Enthält der Ausgangszustand nur ein Teilchen, entsteht so das Antiteilchen im entsprechenden Zustand. Beschreibt der Zustand ein ganzes System mehrerer Teilchen, entsteht so der entsprechende Zustand eines Systems, das genau so wie das ursprüngliche aufgebaut ist, aber aus den entsprechenden Antiteilchen.

Daher existiert aus Symmetriegründen zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen, welches in seinen additiven Quantenzahlen wie Ladung (elektrische Ladung, Farbladung), Baryonenzahl, Leptonenzahl usw. dem Teilchen entgegengesetzt ist, in seinen nichtadditiven Eigenschaften wie z. B. Spin, Masse, Lebensdauer usw. aber 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: $\ p$ für Proton, $\bar{p}$ für Antiproton. Die historisch entstandene Ausnahme hiervon ist der Name Positron für das Antielektron.

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 $E= + m c^2$ als auch mit negativer Energie $E= - m c^2$. Damit stellt sich zunächst die Frage, warum ein Teilchen mit positiver Energie nicht unter Abstrahlung von $2m c^2$ 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 sich Teilchen mit negativer Energie rückwärts in der Zeit bewegen. Mathematisch ist dies äquivalent zu einem Antiteilchen mit positiver Energie, welches sich vorwärts in der Zeit bewegt.

Siehe auch

• Antiwasserstoff
• Baryonenasymmetrie

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

• www.quantenwelt.de: Antiteilchen – Jedem Teil sein Gegenteil