Kern-/Teilchenphysik

Teilchenphysik

Teilchen und Anti-Teilchen

  • Was ist der Unterschied zwischen Teilchen …
  • … und ihren Antiteilchen?
  • Welche fundamentalen Wechselwirkungen kennen wir?
  • Wie sieht das Standardmodell der Elementarteilchen aus?

Teilchen und Anti-Teilchen

Zu jedem Materieteilchen gibt es ein Teilchen, das exakt dieselbe Masse besitzt aber jeweils genau die entgegengesetzte elektrische, starke und schwache Ladung trägt. Dieses Teilchen nennt man das zugehörige Anti-Teilchen. Würde man die gesamte Materie im Universum durch Anti-Materie tauschen, würde sich für uns allerdings nichts ändern: Die Physik unterscheidet prinzipiell nicht zwischen Teilchen und Anti-Teilchen, die Existenz von Anti-Teilchen ist etwas ganz Natürliches.

Hinweise

Zur Kennzeichnung des Anti-Teilchen verwendet man häufig einen Querstrich über dem Teilchensymbol. Beispiel: Proton \(p\); Anti-Proton \(\bar{p}\).

Ein Anti-Teilchen kann nie isoliert erzeugt werden. Es entsteht stets ein Teilchen-Anti-Teilchen-Paar.

Teilchen wie z.B. das Photon oder das neutrale Pion π0 sind ihre eigenen Anti-Teilchen.

Bemerkung: Der theoretische Physiker Paul DIRAC postulierte 1928 als erstes Anti-Teilchen das sogenannte Positron \(\rm{e}^+\). Das Positron ist das Anti-Teilchen zum Elektron und besitzt die gleiche Masse, den gleichen Spin, aber eine positive Elementarladung. Das Positron kennst du als Bestandteil der \(\rm{\beta}^+\)-Strahlung. Erst vier Jahre später konnte Carl ANDERSON das Positron experimentell in der Höhenstrahlung nachweisen. Es kommt in der Physik nicht selten vor, dass die Theoretiker Teilchen vorhersagen, die erst geraume Zeit später experimentell gefunden werden. Auch das Neutron wurde schon nach RUTHERFORDs Entdeckung des Atomkerns (um 1920) postuliert, aber erst 1932 durch CHADWICK experimentell nachgewiesen. Auch die Quarks - 1964 durch GELL-MANN theoretisch eingeführt - konnten indirekt am großen Linearbeschleuniger von Stanford (USA) 1969 nachgewiesen werden.

1955 gelang es Physikern in Berkeley erstmals, Anti-Protonen herzustellen, also Teilchensysteme aus drei Anti-Quarks. Inzwischen kann man sogar ganze Anti-Atome herstellen; am CERN forscht man unter anderem mit Anti-Wasserstoffatomen, bei denen der Kern aus einem Anti-Proton mit drei Anti-Quarks und die Hülle aus einem Positron gebildet wird. Eine Musteraufgabe zu einem dieser Experimente, dem AEGIS-Experiment, findest du hier.

Paarvernichtung (Annihilation)

Wenn ein Anti-Teilchen seinem entsprechenden Materieteilchen begegnet, „annihilieren“ sie sich gegenseitig – das bedeutet, die vorhandene Energie wandelt sich in Botenteilchen um. Dieser Prozess wird Paarvernichtung (oder auch Annihilation) genannt. In der Positronen-Emissionstomografie (kurz: PET) nutzt man den Prozess der Elektron-Positron-Annihilation, um zum Beispiel Tumore sichtbar zu machen.

Eine Musteraufgabe zur Paarvernichtung findest du hier.

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1 Paarvernichtung eines Elektron-Positron-Paares zu zwei hochenergetischen Photonen

Paarerzeugung

Die obenstehende Animation zeigt (stark vereinfacht) die Paarerzeugung. Aus Gründen des Energie- und Impulserhaltungssatzes muss die Paarerzeugung z.B. im COULOMB-Feld eines Atomkerns stattfinden.

Eine Musteraufgabe zur Paarerzeugung findest du hier.

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2 Paarerzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus einem hochenergetischen Photon im COULOMB-Feld eines Atomkerns
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