Virtuelle Teilchen

Feynman-Diagramm der Coulomb-Streuung zweier Elektronen. Die vier geraden Linien symbolisieren die einlaufenden bzw. auslaufenden Elektronen, die diese verbindende Wellenlinie das virtuelle Photon, das die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt.

Virtuelle Teilchen sind ein Konzept aus der Quantenfeldtheorie, das im Kontext von Feynman-Diagrammen auftritt, die oft zur Illustration von Teilchenwechselwirkungen herangezogen werden. Im Rahmen einer solchen Illustration kann man sich ein virtuelles Teilchen als einen kurzlebigen Zwischenzustand vorstellen, der während einer Wechselwirkung auftritt, sie damit auch beeinflusst, nach außen aber niemals sichtbar (observabel) wird.

Definition

Virtuelle Teilchen sind ein Bestandteil von Feynman-Diagrammen. Jedes dieser Diagramme entspricht einem bestimmten Term in der quantenfeldtheoretischen Störungsrechnung. Virtuelle Teilchen treten bei jeder Art von Wechselwirkung zwischen Teilchen zumindest in höherer Ordnung der Störungsrechnung auf. Feynman-Diagramme bestehen aus verschiedenen Linien, die sich an Knotenpunkten, den sogenannten Vertices treffen. Die äußeren Linien (solche, die ein freies Ende haben) werden als ein- bzw. auslaufende Teilchen interpretiert. Innere Linien ohne freies Ende werden als virtuelle Teilchen bezeichnet.

Im Kontext der Vakuumfluktuationen werden Feynman-Diagramme ohne äußere Linien betrachtet, in denen also Teilchen aus dem Vakuum entstehen und wieder zerfallen, und so zur Vakuumenergie beitragen. Hier treten also ausschließlich virtuelle Teilchen auf.

Eigenschaften

Prinzipiell kann jedes Teilchen auch als virtuelles Teilchen in einem Feynmandiagramm auftreten, typische Beispiele sind Eichbosonen als Vermittler von Wechselwirkungen, sogenannte Austauschteilchen. So wird z. B. in der Quantenelektrodynamik die elektromagnetische Wechselwirkung zweier Elektronen durch den Austausch eines virtuellen Photons vermittelt.

Ein wesentlicher Unterschied zu den (real beobachtbaren) ein- oder auslaufenden Teilchen ist, dass virtuelle Teilchen keine definierte Masse besitzen, im Fachjargon: sie sind nicht auf die Massenschale limitiert (sie sind nicht „on-shell“), die Relation E² − p² = m² (in Einheiten mit Lichtgeschwindigkeit c=1) muss nicht erfüllt sein. Diese Tatsache steht mathematisch im Zusammenhang mit der kurzen Lebensdauer virtueller Teilchen und der daraus resultierenden Unschärfe der Energie. Daher können z. B. W-Bosonen als virtuelle Teilchen auch in Prozessen niedriger Energie auftreten, wie etwa beim radioaktiven Beta-Zerfall, obwohl sie aufgrund ihrer großen Masse als reale Teilchen erst bei viel höherer Energie produziert werden können. In derselben Weise ist es auch möglich, dass Hinweise auf die Existenz sehr schwerer Teilchen bereits beobachtet werden, bevor die Beschleunigertechnologie ausreicht, sie auch zu produzieren.