Quarkonium

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In der Teilchenphysik bezeichnet man mit Quarkonium (Plural: Quarkonia) einen gebundenen Zustand aus einem Quark und seinem Antiquark. Anders ausgedrückt ist es ein Meson ohne elektrische Ladung oder Flavour.

Gebundene Zustände der schweren Quarks () haben eigene Namen: gebundene -Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen Charmonium, gebundene -Zustände Bottomonium. Da die Lebensdauer des Top-Quarks extrem kurz ist, können sich höchstwahrscheinlich keine -Systeme (Toponium) bilden.

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks () mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch – vor allem mit . Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer einzelnen Quarksorte zuordenbar.

Nomenklatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Quantenzahlen und spektroskopische Zustände[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Name Quarkonium ist analog zum Positronium, bei dem ein Elektron und ein Positron zum gebunden sind. Wie beim Positronium kennzeichnet man Quarkonia durch folgende Quantenzahlen:

  • Hauptquantenzahl 
  • Kopplung der Quarkspins (Zahlenwert oder ) bzw. Multiplizität (Zahlenwert oder )
  • Bahndrehimpuls  und
  • Gesamtdrehimpuls  (mögliche Werte aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung )
Bahndreh-
impuls 
Kenn-
buchstabe
0 S
1 P
2 D
3 F
4 G
5 H
6 I
7 K

in der Nomenklatur (Termsymbol) bzw. (spektroskopische Bezeichnung), wobei der Bahndrehimpuls  durch einen Großbuchstaben (siehe Tabelle) angegeben wird.

Man beachte folgenden Unterschied in der Namensgebung: Während bei Positronium die Nomenklatur der Atomphysik gilt mit der Hauptquantenzahl ( für die Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion, klein für den Bahndrehimpuls), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der Kernphysik mit . Einem 23P1-Positronium entspricht also ein 13P1-Charmonium.

Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls  nur:

  • die Parität  und
  • die Ladungskonjugation .

Bahndrehimpuls  und Quarkspin-Kopplung  lassen sich daraus ableiten.

Mesonen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur[1]

beob­achtet:
Bahn­drehimpuls
gekoppel­ter Spin
Gesamt­drehimpuls
Grundzustand
()
Mischung aus und
Isospin=1
Mischung aus , ,
Isospin=0
Charm­onium
Bottom­onium
gerade
S, D, G, …
gerade
0
0, 2, 4, … 11S0 Pion η-Meson
ungerade
1
1, 2, 3, … 13S1 Rho-Meson Omega-Meson , Phi-Meson [Anm. 1] Y-Meson 
ungerade
P, F, H, …
gerade
0
1, 3, 5, … 11P1
ungerade
1
0, 1, 2, … 13P0
  1. aus historischen Gründen wird der 1−−-Grundzustand als J/ψ-Meson bezeichnet
  • Für die aus schweren Quarks () gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung () mit angegeben – z. B. , sowie als weiterer Index – z. B. . Letzteres ist nicht nötig bei , weil dann . Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich, wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c2 angegeben, z. B. .
  • Für die aus leichten Quarks () gebildeten Mesonen verwendet man die spektroskopische Bezeichnung nicht; stattdessen wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c2 angegeben.
  • Bei den niedrigsten Zuständen kann man diese Angaben weglassen – also und .

Nachgewiesene Quarkonia[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

JPC Termsymbol n2S + 1LJ Charmonium Bottomonium
Partikel Masse
(MeV/c2)[2]
Partikel Masse
(MeV/c2)[3]
0−+ 11S0 ηc(1S) = ηc 2983,9 ±0,5 ηb(1S) = ηb 9399,0 ±2,3
0−+ 21S0 ηc(2S) = ηc' 3637,6 ±1,2 ηb(2S)
2−+ 11D2 ηc(1D) ηb(1D)
1−− 13S1 J/ψ(1S) = J/ψ 3096,900 ±0,006 Υ(1S) = Υ 9460,30 ±0,26
1−− 23S1 ψ(2S) = ψ(3686) 3686,097 ±0,025 Υ(2S) 10.023,26 ±0,31
1−− 33S1 Υ(3S) 10.355,2 ±0,5
1−− 43S1 Υ(4S) = Υ(10580) 10.579,4 ±1,2
1−− 53S1 Υ(5S) = Υ(10860) 10.889,9 ±3,2
1−− 63S1 Υ(6S) = Υ(11020) 10.992,9 ±10
1−− 13D1 ψ(3770) 3773,13 ±0,35
2−− 13D2 ψ2(1D) = ψ2(3823) 3822,2 ±1,2 Υ2(1D) 10.163,7 ±1,4
3−− 13D3 ψ3(1D) Υ3(1D)
1−− ???? ψ(4260) = Y(4260) 4230 ±8
1+− 11P1 hc(1P) = hc 3525,38 ±0,11 hb(1P) = hb 9899,3 ±0,8
1+− 21P1 hc(2P) hb(2P)
0++ 13P0 χc0(1P) = χc0 3414,71 ±0,30 χb0(1P) = χb0 9859,44 ±0,52
0++ 23P0 χc0(2P) χb0(2P) 10.232,5 ±0,6
1++ 13P1 χc1(1P) 3510,67 ±0,05 χb1(1P) 9892,78 ±0,40
1++ 23P1 χc1(2P) χb1(2P) 10.255,46 ±0,55
1++ 33P1 χb1(3P) 10.512,1 ±2,3
2++ 13P2 χc2(1P) 3556,17 ±0,07 χb2(1P) 9912,21 ±0,40
2++ 23P2 χc2(2P) 3927,2 ±2,6 χb2(2P) 10.268,65 ±0,55
1++ ???1 χc1(3872) = X(3872)** 3871,69 ±0,17
vorhergesagt, aber noch nicht identifiziert.
** Die Quantenzahlen des X(3872)-Teilchens sind Gegenstand aktueller Untersuchungen,[4] seine Identität ist nicht vollständig geklärt. Es kann sich handeln um:
  • einen Kandidaten für den 11D2-Zustand;
  • einen hybriden Charmonium-Zustand;
  • ein -Molekül.

2005 veröffentlichte das BaBar-Experiment die Entdeckung des neuen Zustands Y(4260).[5][6] Die Beobachtungen wurden von den Experimenten CLEO und Belle bestätigt. Zuerst wurde das neue Teilchen für ein Charmonium gehalten, aber inzwischen legen die Beobachtungen exotischere Erklärungen nahe, wie ein D-„Molekül“, ein Tetraquark oder ein hybrides Meson.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Particle Data Group: Naming scheme for hadrons (Revised in 2017). (PDF; 86 kB) Abgerufen am 17. Februar 2018 (englisch).
  2. M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: cc̅ Mesons
  3. M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: bb̅ Mesons
  4. LHCb collaboration: Determination of the X(3872) meson quantum numbers. In: Physical Review Letters. Band 110, Nr. 22, Mai 2013, doi:10.1103/PhysRevLett.110.222001, arxiv:1302.6269v1.
  5. A new particle discovered by BaBar experiment. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 6. Juli 2005, abgerufen am 6. März 2010.
  6. B. Aubert u. a. (BaBar Collaboration): Observation of a broad structure in the π+πJ/ψ mass spectrum around 4.26 GeV/c2. In: Physical Review Letters. Band 95, Nr. 14, 2005, S. 142001, doi:10.1103/PhysRevLett.95.142001, arxiv:hep-ex/0506081.