Quarkonium
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
Quantenzahlen und spektroskopische Zustände
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
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 |
- 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
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 |
- 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
- Bogdan Povh u. a.: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2.
Einzelnachweise
- ↑ Particle Data Group: Naming scheme for hadrons (Revised in 2017). (PDF; 86 kB) Abgerufen am 17. Februar 2018 (englisch).
- ↑ M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: cc̅ Mesons
- ↑ M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: bb̅ Mesons
- ↑ 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.
- ↑ A new particle discovered by BaBar experiment. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 6. Juli 2005, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 27. Februar 2012; abgerufen am 6. März 2010.
- ↑ B. Aubert u. a. (BaBar Collaboration): Observation of a broad structure in the π+π−J/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.