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Antiteilchen sind die spiegelbildlichen Gegenstücke zur gewöhnlichen Materie, die bei Kontakt mit dieser unter Freisetzung von Energie (Annihilation) zerstrahlen.
In der modernen Physik ist jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen zugeordnet. Man kann sich diese als eine Art 'Spiegelbild' der Materie vorstellen. Das bekannteste Beispiel ist das Positron, welches das Antiteilchen des Elektrons ist. Es wurde als erstes Antiteilchen entdeckt und spielt heute eine zentrale Rolle in der medizinischen Diagnostik.
Ein Antiteilchen besitzt exakt die gleiche Masse und den gleichen Spin (Eigendrehimpuls) wie sein Materie-Partner. Der entscheidende Unterschied liegt in der elektrischen Ladung, die genau entgegengesetzt ist. Während ein Elektron negativ geladen ist, trägt das Positron eine positive Elementarladung. Auch bei neutralen Teilchen wie dem Neutron gibt es Antiteilchen (Antineutronen), die sich in anderen Quantenzahlen wie dem magnetischen Moment unterscheiden.
Trifft ein Teilchen auf sein entsprechendes Antiteilchen, kommt es zur sogenannten Annihilation (Paarvernichtung). Dabei lösen sich beide Teilchen vollständig auf und ihre gesamte Masse wird gemäß Einsteins Formel E=mc² in Energie umgewandelt. Meist entstehen dabei zwei hochenergetische Photonen (Gammastrahlung), die in genau entgegengesetzte Richtungen auseinanderfliegen.
Der umgekehrte Prozess wird als Paarbildung bezeichnet. Hierbei wandelt sich reine Energie, meist in Form eines energiereichen Photons, in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar um. Damit dies geschehen kann, muss das Photon mindestens die Energie besitzen, die der Ruhemasse der beiden Teilchen entspricht. Für ein Elektron-Positron-Paar liegt diese Schwellenenergie bei etwa 1,022 MeV.
In der Medizin wird dieses Prinzip bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) genutzt. Patienten erhalten eine schwach radioaktive Substanz, die durch β⁺-Zerfall Positronen aussendet. Diese Positronen treffen im Körper sofort auf Elektronen, annihilieren und senden Gammastrahlen aus. Detektoren fangen diese Strahlen auf, wodurch Stoffwechselprozesse im Körper präzise lokalisiert werden können.
Obwohl das Universum heute fast ausschließlich aus Materie besteht, lassen sich Antiteilchen in der Höhenstrahlung (kosmische Strahlung) oder künstlich in Teilchenbeschleunigern nachweisen. Das Rätsel, warum nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie übrig blieb, ist eines der großen ungelösten Themen der Physik.
