Quarkonium

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In der Teilchenphysik bezeichnet man mit Quarkonium (Plural: Quarkonia) die gebundenen Zustände aus einem Quark und seinem Antiquark. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei um Mesonen 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. Ein Nachweis des hypothetischen -Systems Toponium ist extrem schwierig bis unmöglich, da seine Formationszeit vermutlich länger ist als die Lebensdauer des Top-Quarks , das aufgrund seiner hohen Masse extrem kurzlebig ist.

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 )

in der Nomenklatur (Termsymbol) bzw. (spektroskopische Bezeichnung), wobei für den Bahndrehimpuls  folgende Kennzeichnung gilt:

Bahndrehimpuls  Kennzeichnung
0 S
1 P
2 D
3 F
4 G
5 H
6 I
7 K

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
Gesamt-drehimpuls
Grundzustand
()
Mischung aus und
(Isospin 1)
Mischung aus , und
(Isospin 0)
Charmonium

(Isospin 0)
Bottomonium

(Isospin 0)
Toponium
[Anm. 1]
(Isospin 0)
gerade
S, D, G, …
gerade 0 0, 2, 4, … 11S0 Pionen η-Mesonen
ungerade 1 1, 2, 3, … 13S1 Rho-Mesonen Omega-Meson , Phi-Meson [Anm. 2] Y-Meson 
ungerade
P, F, H, …
gerade 0 1, 3, 5, … 11P1
ungerade 1 0, 1, 2, … 13P0
  1. hypothetisch
  2. 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 d. h. 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 .

Charmonia und Bottomia[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Quantenzahlen des X(3872)-Teilchens sind Gegenstand aktueller Untersuchungen,[2] 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).[3][4] 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.

JPC Termsymbol n2S + 1LJ Charmonium Bottomium
Partikel Masse
(MeV/c2)[5]
Partikel Masse
(MeV/c2)[5]
0−+ 11S0 ηc(1S) = ηc 2980,3 ±1,2 ηb(1S) = ηb 9390,9 ±2,8
0−+ 21S0 ηc(2S) = ηc' 3637 ±4 ηb(2S)
2−+ 11D2 ηc(1D) ηb(1D)
1−− 13S1 ψ1(1S) = J/ψ(1S) = J/ψ 3096,916 ±0,011 Υ(1S) = Y 9460,30 ±0,26
1−− 23S1 ψ1(2S) = ψ(3686) 3686,09 ±0,04 Y(2S) 10.023,26 ±0,31
1−− 33S1 Y(3S) 10.355,2 ±0,5
1−− 43S1 Y(4S) = Υ(10580) 10.579,4 ±1,2
1−− 53S1 Y(5S) = Υ(10860) 10.865 ±8
1−− 63S1 Y(6S) = Υ(11020) 11.019 ±8
1−− 13D1 ψ1(1D) = ψ(3770) 3772,92 ±0,35 Y(1D)
2−− 13D2 ψ2(1D) Y2(1D) 10.161,1 +1,7
3−− 13D3 ψ3(1D) Y3(1D)
1−−  ???? Y(4260) 4263 +8-9
1+− 11P1 hc(1P) = hc 3525,93 ±0,27 hb(1P) = hb
1+− 21P1 hc(2P) hb(2P)
0++ 13P0 χc0(1P) = χc0 3414,75 ±0,31 χb0(1P) = χb0 9859,44 ±0,52
0++ 23P0 χc0(2P) χb0(2P) 10.232,5 ±0,6
1++ 13P1 χc1(1P) 3510,66 ±0,07 χb1(1P) 9892,76 ±0,40
1++ 23P1 χc1(2P) χb1(2P) 10.255,46 ±0,55
2++ 13P2 χc2(1P) 3556,20 ±0,09 χb2(1P) 9912,21 ±0,40
2++ 23P2 χc2(2P) χb2(2P) 10.268,65 ±0,55
J++ 33PJ χb(3P) 10.530 ±5(stat.) ±9(syst.)[6]
1++  ???1 X(3872) 3872,2 ±0,8

Anmerkungen:

  • * noch zu bestätigen
  • vorhergesagt, aber noch nicht identifiziert.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Particle Data Group; PDF; 66 kB
  2. LHCb collaboration: Determination of the X(3872) meson quantum numbers. In: Physical Review Letters. Band 110, Nr. 22, 2013, doi:10.1103/PhysRevLett.110.222001, arxiv:1302.6269v1.
  3. A new particle discovered by BaBar experiment. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 6. Juli 2005, abgerufen am 6. März 2010.
  4. 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.
  5. a b PDGLive Particle Listing
  6. ATLAS Collaboration: Observation of a new χb state in radiative transitions to Υ(1S) and Υ(2S) at ATLAS. In: Physical Review Letters. Band 108, Nr. 15, 2012, doi:10.1103/PhysRevLett.108.152001, arxiv:1112.5154.