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Quarkonium In der Teilchenphysik bezeichnet man mit Plural Quarkonia einen gebundenen Zustand aus einem Quark und seinem

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 Bearbeiten

Quantenzahlen und spektroskopische Zustände 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:

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:

Bahndrehimpuls  und Quarkspin-Kopplung  lassen sich daraus ableiten.

Mesonen Bearbeiten

Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur

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 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

JPC Termsymbol n2S + 1LJ Charmonium Bottomonium
Partikel Masse
(MeV/c2)		 Partikel Masse
(MeV/c2)
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, 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). 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

  • Bogdan Povh u. a.: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2.

Einzelnachweise 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+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.
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In der Teilchenphysik bezeichnet man mit Quarkonium Plural Quarkonia einen gebundenen Zustand aus einem Quark und seinem Antiquark Anders ausgedruckt ist es ein Meson ohne elektrische Ladung oder Flavour Gebundene Zustande der schweren Quarks c b t displaystyle c b t haben eigene Namen gebundene c c displaystyle c bar c Zustande also charm Quark und Antiquark heissen Charmonium gebundene b b displaystyle b bar b Zustande Bottomonium Da die Lebensdauer des Top Quarks t displaystyle t extrem kurz ist konnen sich hochstwahrscheinlich keine t t displaystyle t bar t Systeme Toponium bilden Gebundene Quark Antiquark Zustande der leichten Quarks u d s displaystyle u d s mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch vor allem u u displaystyle u bar u mit d d displaystyle d bar d Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer einzelnen Quarksorte zuordenbar Inhaltsverzeichnis 1 Nomenklatur 1 1 Quantenzahlen und spektroskopische Zustande 1 2 Mesonen 2 Nachgewiesene Quarkonia 3 Literatur 4 EinzelnachweiseNomenklatur BearbeitenQuantenzahlen und spektroskopische Zustande Bearbeiten Der Name Quarkonium ist analog zum Positronium bei dem ein Elektron und ein Positron zum e e displaystyle e e nbsp gebunden sind Wie beim Positronium kennzeichnet man Quarkonia durch folgende Quantenzahlen Hauptquantenzahl n 1 2 3 displaystyle n 1 2 3 ldots nbsp Kopplung der Quarkspins S displaystyle S nbsp Zahlenwert 0 displaystyle 0 nbsp oder 1 displaystyle 1 nbsp bzw Multiplizitat 2 S 1 displaystyle 2S 1 nbsp Zahlenwert 1 displaystyle 1 nbsp oder 3 displaystyle 3 nbsp Bahndrehimpuls L displaystyle L nbsp und Gesamtdrehimpuls J displaystyle J nbsp mogliche Werte J L S L S 1 L S displaystyle J L S L S 1 dots L S nbsp aufgrund der Spin Bahn Kopplung J L S displaystyle hat J hat L hat S nbsp Bahndreh impuls L displaystyle L nbsp Kenn buchstabe0 S1 P2 D3 F4 G5 H6 I7 K in der Nomenklatur n 2 S 1 L J displaystyle n 2S 1 L J nbsp Termsymbol bzw n L displaystyle nL nbsp spektroskopische Bezeichnung wobei der Bahndrehimpuls L displaystyle L nbsp durch einen Grossbuchstaben siehe Tabelle angegeben wird Man beachte folgenden Unterschied in der Namensgebung Wahrend bei Positronium die Nomenklatur der Atomphysik gilt mit der Hauptquantenzahl n N 1 l displaystyle n N 1 l nbsp N displaystyle N nbsp fur die Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion klein l displaystyle l nbsp fur den Bahndrehimpuls verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der Kernphysik mit n N 1 displaystyle n N 1 nbsp Einem 23P1 Positronium entspricht also ein 13P1 Charmonium Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls J displaystyle J nbsp nur die Paritat P 1 L 1 displaystyle P 1 L 1 nbsp und die Ladungskonjugation C 1 L S displaystyle C 1 L S nbsp Bahndrehimpuls L displaystyle L nbsp und Quarkspin Kopplung S displaystyle S nbsp lassen sich daraus ableiten Mesonen Bearbeiten Fur die aus diesen Zustanden gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur 1 beob achtet J P C displaystyle J PC nbsp Bahn drehimpulsL displaystyle L nbsp gekoppel ter SpinS displaystyle S nbsp Gesamt drehimpulsJ displaystyle J nbsp Grundzustand n 2 S 1 L J displaystyle n 2S 1 L J nbsp Mischung aus u u displaystyle u bar u nbsp und d d displaystyle d bar d nbsp Isospin 1 Mischung aus u u displaystyle u bar u nbsp d d displaystyle d bar d nbsp s s displaystyle s bar s nbsp Isospin 0 Charm oniumc c displaystyle c bar c nbsp Bottom oniumb b displaystyle b bar b nbsp J displaystyle J nbsp gerade displaystyle Rightarrow nbsp S D G gerade displaystyle Rightarrow nbsp 0 0 2 4 11S0 Pion p displaystyle pi nbsp h Meson h h displaystyle eta eta nbsp h c displaystyle eta c nbsp h b displaystyle eta b nbsp J displaystyle J nbsp ungerade displaystyle Rightarrow nbsp 1 1 2 3 13S1 Rho Meson r displaystyle rho nbsp Omega Meson w displaystyle omega nbsp Phi Meson ϕ displaystyle phi nbsp ps displaystyle psi nbsp Anm 1 Y Meson Y displaystyle Upsilon nbsp J displaystyle J nbsp ungerade displaystyle Rightarrow nbsp P F H gerade displaystyle Rightarrow nbsp 0 1 3 5 11P1 b displaystyle b nbsp h h displaystyle h h nbsp h c displaystyle h c nbsp h b displaystyle h b nbsp J displaystyle J nbsp ungerade displaystyle Rightarrow nbsp 1 0 1 2 13P0 a displaystyle a nbsp f f displaystyle f f nbsp x c displaystyle chi c nbsp x b displaystyle chi b nbsp aus historischen Grunden wird der 1 Grundzustand als J ps Meson bezeichnetFur die aus schweren Quarks c b displaystyle c b nbsp gebildeten Mesonen wird sofern bekannt die spektroskopische Bezeichnung n L displaystyle nL nbsp mit angegeben z B ps 2 S displaystyle psi 2S nbsp sowie J displaystyle J nbsp als weiterer Index z B x c 1 1 P displaystyle chi c1 1P nbsp Letzteres ist nicht notig bei L 0 displaystyle L 0 nbsp weil dann J S displaystyle J S nbsp Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht moglich wird zur naheren Bezeichnung die Masse in MeV c2 angegeben z B ps 3770 displaystyle psi 3770 nbsp Fur die aus leichten Quarks u d s displaystyle u d s nbsp gebildeten Mesonen verwendet man die spektroskopische Bezeichnung nicht stattdessen wird zur naheren Bezeichnung die Masse in MeV c2 angegeben Bei den niedrigsten Zustanden kann man diese Angaben weglassen also h c 1 S h c displaystyle eta c 1S eta c nbsp und ϕ 1020 ϕ displaystyle phi 1020 phi nbsp Nachgewiesene Quarkonia BearbeitenJPC Termsymbol n2S 1LJ Charmonium c c displaystyle c bar c nbsp Bottomonium b b displaystyle b bar b nbsp Partikel Masse MeV c2 2 Partikel Masse MeV c2 3 0 11S0 hc 1S hc 2983 9 0 5 hb 1S hb 9399 0 2 30 21S0 hc 2S hc 3637 6 1 2 hb 2S 2 11D2 hc 1D hb 1D 1 13S1 J ps 1S J ps 3096 900 0 006 Y 1S Y 9460 30 0 261 23S1 ps 2S ps 3686 3686 097 0 025 Y 2S 10 023 26 0 311 33S1 Y 3S 10 355 2 0 51 43S1 Y 4S Y 10580 10 579 4 1 21 53S1 Y 5S Y 10860 10 889 9 3 21 63S1 Y 6S Y 11020 10 992 9 101 13D1 ps 3770 3773 13 0 352 13D2 ps2 1D ps2 3823 3822 2 1 2 Y2 1D 10 163 7 1 43 13D3 ps3 1D Y3 1D 1 ps 4260 Y 4260 4230 81 11P1 hc 1P hc 3525 38 0 11 hb 1P hb 9899 3 0 81 21P1 hc 2P hb 2P 0 13P0 xc0 1P xc0 3414 71 0 30 xb0 1P xb0 9859 44 0 520 23P0 xc0 2P xb0 2P 10 232 5 0 61 13P1 xc1 1P 3510 67 0 05 xb1 1P 9892 78 0 401 23P1 xc1 2P xb1 2P 10 255 46 0 551 33P1 xb1 3P 10 512 1 2 32 13P2 xc2 1P 3556 17 0 07 xb2 1P 9912 21 0 402 23P2 xc2 2P 3927 2 2 6 xb2 2P 10 268 65 0 551 1 xc1 3872 X 3872 3871 69 0 17 vorhergesagt aber noch nicht identifiziert Die Quantenzahlen des X 3872 Teilchens sind Gegenstand aktueller Untersuchungen 4 seine Identitat ist nicht vollstandig geklart Es kann sich handeln um einen Kandidaten fur den 11D2 Zustand einen hybriden Charmonium Zustand ein D 0 D 0 displaystyle D 0 bar D 0 nbsp Molekul 2005 veroffentlichte das BaBar Experiment die Entdeckung des neuen Zustands Y 4260 5 6 Die Beobachtungen wurden von den Experimenten CLEO und Belle bestatigt Zuerst wurde das neue Teilchen fur ein Charmonium gehalten aber inzwischen legen die Beobachtungen exotischere Erklarungen nahe wie ein D Molekul ein Tetraquark oder ein hybrides Meson Literatur BearbeitenBogdan Povh u a Teilchen und Kerne 6 Auflage Springer 2004 ISBN 3 540 21065 2 Einzelnachweise Bearbeiten 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 cc Mesons M Tanabashi et al Particle Data Group 2018 bb 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 abgerufen am 6 Marz 2010 B Aubert u a BaBar Collaboration Observation of a broad structure in the p p J ps 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 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Quarkonium amp oldid 225622451