Virtuelles 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

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Virtuelle Teilchen sind ein Konzept der theoretischen Quantenfeldtheorie, das in der Störungsrechnung auftritt, also beim Versuch, die quantenfeldtheoretischen Vorgänge näherungsweise zu berechnen. Dem amerikanischen Physiker Richard Feynman gelang es, diese sehr abstrakten Vorgänge bildlich in Form sogenannter Feynman-Diagramme zu veranschaulichen, die darüber hinaus auch die systematische Berechnung dieser Vorgänge ermöglichen. Feynman-Diagrammen ist gemeinsam, dass sie äußere Linien haben (solche, die ein freies Ende haben) und ein- bzw. auslaufenden Teilchen entsprechen. Innere Linien haben kein freies Ende, und entsprechen per definitionem den virtuellen Teilchen. Vertices verbinden diese Linien und stellen Wechselwirkungspunkte dar, an denen z. B. auch eine Teilchenumwandlung oder -zerfall stattfinden kann.

Ein wesentlicher Unterschied zu den (real beobachtbaren) ein- oder auslaufenden Teilchen ist, dass virtuelle Teilchen nicht „on-shell“ sein müssen. On-shell bedeutet, dass (in Einheiten mit Lichtgeschwindigkeit c=1) die Relation $E^{2}-p^{2}=m^{2}$ erfüllt ist. Für reale Teilchen gilt dies immer; für virtuelle Teilchen gilt es im Allgemeinen nicht.

Prinzipiell kann jedes Teilchen auch als virtuelles Teilchen in einem Feynman-Diagramm 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.

Video

[1] aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am  .