Techniklexikon

Antiteilchen

das zu jedem Elementarteilchen existierende komplementäre Teilchen. Antiteilchen haben die gleiche Masse und den gleichen Spin wie das zugehörige Teilchen, aber entgegengesetzte elektrische Ladung und ladungsartige Quantenzahlen wie Strangeness S, Leptonenzahl L und Baryonenzahl B. Die Pionen p ⁺  und p ^-  sind z.B. gegenseitige Antiteilchen, während das neutrale p⁰ identisch mit seinem Antiteilchen ist. Nicht alle elektrisch neutralen Partikel sind mit ihrem Antiteilchen identisch; in diesen Fällen wird das Antiteilchen durch einen Querstrich über dem Teilchensymbol gekennzeichnet, z.B. n und  oder K⁰ und .

Die Existenz von Antiteilchen wurde 1928 von Dirac vorhergesagt, um das Problem der negativen Energiezustände in seiner Elektronen-Theorie zu lösen; dazu interpretierte er das Vakuum als unendlichen "See" besetzter negativer Zustände um (Dirac-See). Wird ein Elektron aus diesem See herausgeschlagen, entsteht ein Loch. Dirac stellte aber fest, dass das Fehlen eines Elektrons mit Ladung  - e und negativer Energie äquivalent der Anwesenheit eines positiv geladenen Teilchens mit positiver Energie ist, denn das Loch verhält sich wie ein Teilchen mit Ladung  + e und der Masse des Elektrons, so dass Dirac einen neuen Materiezustand postulieren konnte, das Antielektron, später Positron genannt. C.D. Anderson und S.H. Neddermayer gelang es 1932, das Positron als Bestandteil der kosmischen Höhenstrahlung in einer Nebelkammer nachzuweisen. In Teilchenbeschleunigern können Teilchen und Antiteilchen durch Paarerzeugung produziert werden: die relativistische Äquivalenz von Masse und Energie E = mc² (A. Einstein 1905) ermöglicht die Umsetzung von Energie in Masse und damit z.B. die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus der Kollision zweier Photonen.

1995 gelang es am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf erstmals, Antiwasserstoff im Speicherring LEAR zu erzeugen und nachzuweisen. Dazu wurden Antiprotonen auf ein Xenon-Target geschossen; im Coulomb-Feld des Xe-Kerns entstehen dabei zunächst zwei Photonen und daraus ein Elektron-Positron-Paar. Mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit fängt das Antiproton das Positron ein, und es entsteht ein Antiatom. Mit einer komplizierten Kombination verschiedener Detektoren wurden eindeutig neun solcher Antiatome nachgewiesen.

Teilchen und Antiteilchen sind in der Quantentheorie durch die sog. Ladungskonjugation C, die die Vorzeichen aller ladungsartigen (inneren) Quantenzahlen ändert, miteinander verknüpft, vorausgesetzt, der transformierte Zustand ist physikalisch realisierbar. Das ist für die elektromagnetische und starke Wechselwirkung der Fall. Die schwache Wechselwirkung hingegen verletzt die C-Symmetrie: Das linkshändige Neutrino wird durch Anwendung von C in das linkshändige Antineutrino überführt, das in der Natur nicht existiert. Erst durch Kombination mit der Paritätsoperation P, also einer CP-Transformation, erhält man das beobachtete rechtshändige Antineutrino. Beim Zerfall des K⁰-Mesons tritt jedoch eine Verletzung auch der CP-Symmetrie auf; die Verletzung dieser Symmetrie muss so interpretiert werden, dass die Natur hier zwischen Teilchen und Antiteilchen unterscheidet (CP-Verletzung). Die Kombination aller Spiegelungen, die CPT-Konjugation, ist jedoch nach heutiger Erkenntnis für alle Wechselwirkungen erhalten. Hierbei handelt es sich um eine grundlegende Aussage der relativistischen Quantentheorie (CPT-Theorem). Es ist eine Konsequenz aus dem CPT-Theorem, dass Teilchen und Antiteilchen gleiche Massen und Lebensdauern haben und ihre magnetischen Momente entgegengesetzt gleich sind. [UK]