Linkshändige Teilchen

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Die Helizität (griechisch ἕλιξ, helix „das Gewundene“) ist die Komponente des Spins eines Teilchens in Richtung seines Impulses.

Die Helizität ist definiert als $h = \vec S \cdot \hat p$, wobei $\vec S$ den Vektor des Spins und $\hat p = \vec p / |\vec p|$ die Impulsrichtung bezeichnet. Für ein massebehaftetes Teilchen mit Gesamtspin S kann die Helizität 2S + 1 verschiedene Eigenwerte −S, −S+1, …, S−1, S annehmen. Für ein masseloses Teilchen sind nur die beiden Werte −S und +S möglich; die Helizität fällt in diesem Fall (bis auf einen Faktor S) mit der Chiralität zusammen.

Manchmal wird die Helizität auch als die Komponente des Gesamtdrehimpulses in Impulsrichtung definiert, $h\,=\,\vec J \cdot \hat p$. Die beiden Definitionen sind aber äquivalent, weil der Bahndrehimpuls immer senkrecht auf dem Impulsvektor steht und daher zu dem Skalarprodukt nicht beitragen kann ($\vec L \cdot \hat p = 0$).

Anschaulich definiert die Helizität den Drehsinn oder die Händigkeit eines Teilchens: Teilchen mit positiver Helizität bezeichnet man als rechtshändige, solche mit negativer Helizität als linkshändige Partikel (Teilchen).

Im Rahmen der Relativitätstheorie ist die Helizität nur für masselose Teilchen (die sich stets mit Lichtgeschwindigkeit bewegen) eindeutig bestimmt. Für alle anderen massebehafteten Teilchen lässt sich immer ein Bezugssystem wählen, das das Teilchen „überholt“, wodurch sich die Richtung seines Impulses und damit seine Helizität umkehrt.

In der Quantentheorie verwendet man die lorentz-invariante Größe der Chiralität. Der schwachen Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen mit linkshändiger Chiralität und ihre Antiteilchen mit rechtshändiger Chiralität. Für masselose Teilchen, die sich stets mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, sind Chiralität und Helizität identisch; für Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit gilt dies näherungsweise.

Da für Neutrinos experimentell lange keine Ruhemasse nachgewiesen werden konnte, weil sie nur schwach mit Materie wechselwirken, nahm man an, dass es nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos gibt. Aus der Entdeckung der Neutrinooszillationen folgte aber, dass Neutrinos eine nicht verschwindende Ruhemasse besitzen müssen. Das bedeutet, dass Neutrinos sich nicht ganz mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Daraus folgt nach aktuellem physikalischen Wissen, dass es auch rechtshändige Neutrinos und linkshändige Antineutrinos geben muss.

Literatur

• Bogdan Povh et al.: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer-Verlag, 2004, ISBN 3-540-21065-2.
• Walter Greiner und Berndt Müller: Theoretische Physik, Bd. 8, Eichtheorie der schwachen Wechselwirkung. Harri Deutsch, 1995, ISBN 3-8171-1427-3.
• James Daniel Bjorken und Sidney Drell: Relativistische Quantenmechanik, Bibliographisches Institut, Mannheim 1990, ISBN 3-411-00098-8. (BI Hochschultaschenbücher; 98/98a).