Virtuelle Teilchen

Feynman-Diagramm der Coulomb-Streuung zweier Elektronen. Die vier geraden Linien symbolisieren die einlaufenden bzw. auslaufenden Elektronen in reellen Zuständen, die Wellenlinie das virtuelle Photon, das die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt. (Die Zeit läuft von unten nach oben.)

Ein virtuelles Teilchen, intermediäres Teilchen oder Teilchen in einem virtuellen Zustand ist ein Konzept aus der Quantenfeldtheorie, wo es zur theoretischen Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen benötigt wird. Man kann sich den virtuellen Zustand eines Teilchens als einen kurzlebigen Zwischenzustand vorstellen, der während einer Wechselwirkung zweier Teilchen auftritt, die sich in „normalen“, also reellen Zuständen befinden. Das virtuelle Teilchen stellt als Austauschteilchen diese Wechselwirkung eigentlich erst her, ist im virtuellen Zustand nach außen aber niemals sichtbar. So wird z. B. in der Quantenelektrodynamik die elektromagnetische Wechselwirkung zweier Elektronen durch den Austausch eines virtuellen Photons vermittelt. Der Nachweis ist indirekt: Die mithilfe dieses Konzepts berechneten Werte werden im Experiment mit einer Genauigkeit von bis zu 1 : 10 Mrd. bestätigt. Prinzipiell kann jedes Teilchen reelle Zustände und virtuelle Zustände annehmen.

Virtuelle Teilchen treten bei jeder der drei Arten von Wechselwirkung auf, die durch die Quantenfeldtheorie beschrieben werden können. Virtuelle Teilchen sind Bestandteile der Feynman-Diagramme, die in einer quantenfeldtheoretischen Störungsrechnung jeweils einen bestimmten Term wiedergeben. Ein Feynman-Diagramm besteht aus verschiedenen Linien, die sich an Knotenpunkten, den Vertices, treffen. Man unterscheidet die äußeren Linien (solche, die ein freies Ende haben) für ein- bzw. auslaufende Teilchen in einem reellen Zustand, und die inneren Linien (solche, die zwei Vertices verbinden) für virtuelle Teilchen. Im Kontext der Vakuumfluktuationen werden auch 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.

Wegen ihrer überaus kurzen Lebensdauer, die durch die Heisenbergsche Unschärferelation bedingt ist, und wegen der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit, treten virtuelle Teilchen niemals real messbar in Erscheinung. Sie liegen aus Sicht der Relativitätstheorie nicht auf der Massenschale, sondern sind, wie man sagt, „off-shell“, was bedeutet, dass sie durch ihre überaus geringe Lebensdauer und Reichweite nicht mit anderen Teilchen in kausale Wechselwirkung treten können.

Siehe auch

• Virtuelles Teilchen - Artikel in der deutschen Wikipedia
• Feynman-Diagramm - Artikel in der deutschen Wikipedia

Literatur

•  B. Povh, K. Rith, Chr. Scholz, F. Zetsche: Teilchen und Kerne: eine Einführung in die physikalischen Konzepte. 8. Auflage. Springer, Berlin 2009, ISBN 9783540680758 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
•  H. Frauenfelder, E.M. Henley: Teilchen und Kerne. 4. Auflage. Oldenbourg, München 1999, ISBN 3-486-24417-5, S. 98ff., 318.
•  W. Demtröder: Experimentalphysik 4. 1. Auflage. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-57097-7, S. 109ff.
•  J. Bleck-Neuhaus: Elementare Teilchen. 2. Auflage. Springer, Berlin 2013, ISBN 978-3-642-32578-6, S. 482ff., doi:10.1007/978-3-642-32579-3 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).