imported>Stefan8410 K (nicht https) |
imported>Wassermaus |
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In der [[Teilchenphysik]] bezeichnet man mit '''Quarkonium''' (Plural: Quarkonia) | In der [[Teilchenphysik]] bezeichnet man mit '''Quarkonium''' (Plural: Quarkonia) einen [[Gebundener Zustand|gebundenen Zustand]] aus einem [[Quark (Physik)|Quark]] und ''seinem'' [[Antiteilchen|Anti]]<nowiki />quark. Anders ausgedrückt ist es ein [[Meson]] ohne [[elektrische Ladung]] oder [[Flavour]]. | ||
Gebundene Zustände der schweren Quarks (<math>c, b, t\!\,</math>) haben eigene Namen: gebundene <math>c\bar c</math>-Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen '''Charmonium''', gebundene <math>b\bar b</math>-Zustände '''Bottomonium'''. | Gebundene Zustände der schweren Quarks (<math>c, b, t\!\,</math>) haben eigene Namen: gebundene <math>c\bar c</math>-Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen '''Charmonium''', gebundene <math>b\bar b</math>-Zustände '''Bottomonium'''. Da die [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des [[Top-Quark]]s <math>t</math> extrem kurz ist, können sich höchstwahrscheinlich keine <math>t\bar t</math>-Systeme ''(Toponium)'' bilden. | ||
Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (<math>u, d, s\!\,</math>) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz [[Quantenmechanik|quantenmechanisch]] – vor allem <math>u\bar u</math> mit <math>d\bar d</math>. Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer einzelnen Quarksorte zuordenbar. | Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (<math>u, d, s\!\,</math>) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz [[Quantenmechanik|quantenmechanisch]] – vor allem <math>u\bar u</math> mit <math>d\bar d</math>. Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer einzelnen Quarksorte zuordenbar. | ||
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* [[Bahndrehimpuls]] <math>L\!\,</math> und | * [[Bahndrehimpuls]] <math>L\!\,</math> und | ||
* [[Gesamtdrehimpuls]] <math>J\!\,</math> (mögliche Werte <math>J = L+S, L+S-1, \dots, |L-S|\!\,</math> aufgrund der [[Drehimpulsoperator #Spin-Bahn-Kopplung|Spin-Bahn-Kopplung]] <math>\hat J = \hat L + \hat S</math>) | * [[Gesamtdrehimpuls]] <math>J\!\,</math> (mögliche Werte <math>J = L+S, L+S-1, \dots, |L-S|\!\,</math> aufgrund der [[Drehimpulsoperator #Spin-Bahn-Kopplung|Spin-Bahn-Kopplung]] <math>\hat J = \hat L + \hat S</math>) | ||
{| class="wikitable | {| class="wikitable float-right zebra" style="text-align:center" | ||
|- | |||
! Bahndreh-<br />impuls <math>L\!\,</math> !! Kenn-<br />buchstabe | |||
|- | |- | ||
| 0 || S | | 0 || S | ||
|- | |- | ||
| 1 || P | | 1 || P | ||
|- | |- | ||
| 2 || D | | 2 || D | ||
|- | |- | ||
| 3 || F | | 3 || F | ||
|- | |- | ||
| 4 || G | | 4 || G | ||
|- | |- | ||
| 5 || H | | 5 || H | ||
|- | |- | ||
| 6 || I | | 6 || I | ||
|- | |- | ||
| 7 || K | | 7 || K | ||
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| … || … | | … || … | ||
|} | |} | ||
in der [[Nomenklatur]] <math>n^{2S+1}L_J\!\,</math> ([[Termsymbol]]) bzw. <math>nL\!\,</math> (spektroskopische Bezeichnung), wobei der Bahndrehimpuls <math>L\!\,</math> 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 <math>n = N+1+l\!\,</math> (<math>N\!\,</math> für die [[Quantenzahl #Radiale Quantenzahl|Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion]], klein <math>l\!\,</math> für den [[Quantenzahl #Nebenquantenzahl|Bahndrehimpuls]]), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der [[Kernphysik]] mit <math>n = N+1\!\,</math>. Einem 2<sup>3</sup>P<sub>1</sub>-Positronium entspricht also ein 1<sup>3</sup>P<sub>1</sub>-Charmonium. | Man beachte folgenden Unterschied in der Namensgebung: Während bei Positronium die Nomenklatur der [[Atomphysik]] gilt mit der Hauptquantenzahl <math>n = N+1+l\!\,</math> (<math>N\!\,</math> für die [[Quantenzahl #Radiale Quantenzahl|Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion]], klein <math>l\!\,</math> für den [[Quantenzahl #Nebenquantenzahl|Bahndrehimpuls]]), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der [[Kernphysik]] mit <math>n = N+1\!\,</math>. Einem 2<sup>3</sup>P<sub>1</sub>-Positronium entspricht also ein 1<sup>3</sup>P<sub>1</sub>-Charmonium. | ||
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=== Mesonen === | === Mesonen === | ||
Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur<ref> | Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur<ref>{{Internetquelle |autor=Particle Data Group |url=http://pdg.lbl.gov/2017/reviews/rpp2017-rev-naming-scheme-hadrons.pdf |titel=Naming scheme for hadrons (Revised in 2017) |abruf=2018-02-17 |format=PDF; 86 kB |sprache=en}}</ref> | ||
{| class="wikitable" style="text-align:center" | {| class="wikitable" style="text-align:center" | ||
! class="hintergrundfarbe5"| | ! class="hintergrundfarbe5"| beob­achtet:<br /><math>J^{PC}\!\,</math> | ||
! class="hintergrundfarbe5"| | ! class="hintergrundfarbe5"| Bahn­drehimpuls<br /><math>L\!\,</math> | ||
! class="hintergrundfarbe5"| | ! class="hintergrundfarbe5"| gekoppel­ter Spin<br /><math>S\!\,</math> | ||
! class="hintergrundfarbe5"| Gesamt | ! class="hintergrundfarbe5"| Gesamt­drehimpuls<br /><math>J\!\,</math> | ||
! class="hintergrundfarbe5"| [[Grundzustand]]<br />(<math>n^{2S+1}L_J\!\,</math>) | ! class="hintergrundfarbe5"| [[Grundzustand]]<br />(<math>n^{2S+1}L_J\!\,</math>) | ||
! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math> und <math>d\bar d</math><br /> | ! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math> und <math>d\bar d</math><br />[[Isospin]]=1 | ||
! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math>, <math>d\bar d</math> | ! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math>, <math>d\bar d</math>, <math>s\bar s</math><br />Isospin=0 | ||
! class="hintergrundfarbe5"| | ! class="hintergrundfarbe5"| Charm­onium<br /><math>c\bar c</math> | ||
! class="hintergrundfarbe5"| | ! class="hintergrundfarbe5"| Bottom­onium<br /><math>b\bar b</math> | ||
|- | |- | ||
| <math>J^{-+}\!\,</math> | | <math>J^{-+}\!\,</math> | ||
| rowspan="2" class = "hintergrundfarbe1" | ''gerade''<br /><math>\Rightarrow</math> S, D, G, … | | rowspan="2" class = "hintergrundfarbe1" | ''gerade''<br /><math>\Rightarrow</math> S, D, G, … | ||
| ''gerade'' <math>\Rightarrow</math> 0 | | ''gerade''<br /><math>\Rightarrow</math> 0 | ||
| 0, 2, 4, … | | 0, 2, 4, … | ||
| 1<sup>1</sup>S<sub>0</sub> | | 1<sup>1</sup>S<sub>0</sub> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | [[Pion]] | | class="hintergrundfarbe8" | [[Pion]] <math>\pi\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | [[η-Meson]] | | class="hintergrundfarbe8" | [[η-Meson]] <math>\eta, \eta'\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\eta_c\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>\eta_c\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\eta_b\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>\eta_b\!\,</math> | ||
|- | |- | ||
| <math>J^{--}\!\,</math> | | <math>J^{--}\!\,</math> | ||
| ''ungerade'' <math>\Rightarrow</math> 1 | | ''ungerade''<br /><math>\Rightarrow</math> 1 | ||
| 1, 2, 3, … | | 1, 2, 3, … | ||
| 1<sup>3</sup>S<sub>1</sub> | | 1<sup>3</sup>S<sub>1</sub> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | [[Rho-Meson]] | | class="hintergrundfarbe8" | [[Rho-Meson]] <math>\rho\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | [[Omega-Meson]] <math>\omega\!\,</math>, [[Phi-Meson]] <math>\phi\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | [[Omega-Meson]] <math>\omega\!\,</math>, [[Phi-Meson]] <math>\phi\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\psi\!\,</math><ref group="Anm.">aus historischen Gründen wird der 1<sup>−−</sup>-Grundzustand als [[J/ψ-Meson]] bezeichnet</ref> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>\psi\!\,</math><ref group="Anm.">aus historischen Gründen wird der 1<sup>−−</sup>-Grundzustand als [[J/ψ-Meson]] bezeichnet</ref> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | [[Ypsilon-Meson|Y-Meson]] <math>\Upsilon\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | [[Ypsilon-Meson|Y-Meson]] <math>\Upsilon\!\,</math> | ||
|- | |- | ||
| <math>J^{+-}\!\,</math> | | <math>J^{+-}\!\,</math> | ||
| rowspan="2" class = "hintergrundfarbe1" | ''ungerade''<br /><math>\Rightarrow</math> P, F, H, … | | rowspan="2" class = "hintergrundfarbe1" | ''ungerade''<br /><math>\Rightarrow</math> P, F, H, … | ||
| ''gerade'' <math>\Rightarrow</math> 0 | | ''gerade''<br /><math>\Rightarrow</math> 0 | ||
| 1, 3, 5, … | | 1, 3, 5, … | ||
| 1<sup>1</sup>P<sub>1</sub> | | 1<sup>1</sup>P<sub>1</sub> | ||
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| class="hintergrundfarbe8" | <math>h_c\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>h_c\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | <math>h_b\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>h_b\!\,</math> | ||
|- | |- | ||
| <math>J^{++}\!\,</math> | | <math>J^{++}\!\,</math> | ||
| ''ungerade'' <math>\Rightarrow</math> 1 | | ''ungerade''<br /><math>\Rightarrow</math> 1 | ||
| 0, 1, 2, … | | 0, 1, 2, … | ||
| 1<sup>3</sup>P<sub>0</sub> | | 1<sup>3</sup>P<sub>0</sub> | ||
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| class="hintergrundfarbe8" | <math>\chi_c\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>\chi_c\!\,</math> | ||
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\chi_b\!\,</math> | | class="hintergrundfarbe8" | <math>\chi_b\!\,</math> | ||
|} | |} | ||
<references group="Anm." /> | <references group="Anm." /> | ||
* Für die aus schweren Quarks (<math>c, b | * Für die aus schweren Quarks (<math>c, b\!\,</math>) gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung (<math>nL\!\,</math>) mit angegeben – z. B. <math>\psi(2S)\!\,</math>, sowie <math>J\!\,</math> als weiterer Index – z. B. <math>\chi_{c1}(1P)\!\,</math>. Letzteres ist nicht nötig bei <math>L = 0\!\,</math>, weil dann <math>J = S\!\,</math>. Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich, wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c<sup>2</sup> angegeben, z. B. <math>\psi(3770)\!\,</math>. | ||
* Für die aus leichten Quarks (<math>u, d, s\!\,</math>) gebildeten Mesonen verwendet man die spektroskopische Bezeichnung nicht; stattdessen wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c<sup>2</sup> angegeben. | * Für die aus leichten Quarks (<math>u, d, s\!\,</math>) gebildeten Mesonen verwendet man die spektroskopische Bezeichnung nicht; stattdessen wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c<sup>2</sup> angegeben. | ||
* Bei den niedrigsten Zuständen kann man diese Angaben weglassen – also <math>\eta_c(1S) = \eta_c\!\,</math> und <math>\phi(1020)=\phi\!\,</math>. | * Bei den niedrigsten Zuständen kann man diese Angaben weglassen – also <math>\eta_c(1S) = \eta_c\!\,</math> und <math>\phi(1020)=\phi\!\,</math>. | ||
== | == Nachgewiesene Quarkonia == | ||
{| class="wikitable" style="text-align:center" | |||
{| class="wikitable | |||
|- | |- | ||
! | ! style="width:40px" rowspan="2"| ''J<sup>PC</sup>'' | ||
! | ! style="width:40px" rowspan="2"| Termsymbol {{nowrap|''n''<sup>2''S'' + 1</sup>''L''<sub>''J''</sub>}} | ||
! colspan="2"| Charmonium <math>c\bar c</math> | ! colspan="2"| Charmonium <math>c\bar c</math> | ||
! colspan="2"| | ! colspan="2"| Bottomonium <math>b\bar b</math> | ||
|- class="hintergrundfarbe5" | |- class="hintergrundfarbe5" | ||
| width = "150px" | Partikel | | width = "150px" | Partikel | ||
| Masse<br />(MeV/c<sup>2</sup>)<ref> | | Masse<br />(MeV/c<sup>2</sup>)<ref>M. Tanabashi ''et al''. (Particle Data Group), 2018: [http://pdg.lbl.gov/2018/tables/rpp2018-tab-mesons-c-cbar.pdf cc̅ Mesons]</ref> | ||
| width = "150px" | Partikel | | width = "150px" | Partikel | ||
| Masse<br />(MeV/c<sup>2</sup>)<ref> | | Masse<br />(MeV/c<sup>2</sup>)<ref>M. Tanabashi ''et al''. (Particle Data Group), 2018: [http://pdg.lbl.gov/2018/tables/rpp2018-tab-mesons-b-bbar.pdf bb̅ Mesons]</ref> | ||
|- | |- | ||
| 0<sup>−+</sup> | | 0<sup>−+</sup> | ||
| '''1<sup>1</sup>S<sub>0</sub>''' | | '''1<sup>1</sup>S<sub>0</sub>''' | ||
| ''η<sub>c</sub>''(1''S'') = ''η<sub>c</sub>'' | | ''η<sub>c</sub>''(1''S'') = ''η<sub>c</sub>'' | ||
| 2983, | | 2983,9 ±0,5 | ||
| ''η<sub>b</sub>''(1''S'') = ''η<sub>b</sub>'' | | ''η<sub>b</sub>''(1''S'') = ''η<sub>b</sub>'' | ||
| 9399,0 ±2,3 | | 9399,0 ±2,3 | ||
| Zeile 136: | Zeile 124: | ||
| 0<sup>−+</sup> | | 0<sup>−+</sup> | ||
| 2<sup>1</sup>S<sub>0</sub> | | 2<sup>1</sup>S<sub>0</sub> | ||
| ''η<sub>c</sub>''(2''S'') = ''η<sub>c</sub>< | | ''η<sub>c</sub>''(2''S'') = ''η<sub>c</sub><nowiki>'</nowiki>'' | ||
| | | 3637,6 ±1,2 | ||
| ''η<sub>b</sub>''(2''S'') | | ''η<sub>b</sub>''(2''S'') | ||
| | | | ||
|- style="border-bottom:2pt black | |- style="border-bottom:2pt solid black" | ||
| 2<sup>−+</sup> | | 2<sup>−+</sup> | ||
| 1<sup>1</sup>D<sub>2</sub> | | 1<sup>1</sup>D<sub>2</sub> | ||
| Zeile 199: | Zeile 187: | ||
| 2<sup>−−</sup> | | 2<sup>−−</sup> | ||
| 1<sup>3</sup>D<sub>2</sub> | | 1<sup>3</sup>D<sub>2</sub> | ||
| ''ψ''(1''D'') | | ''ψ''<sub>2</sub>(1''D'') = ''ψ''<sub>2</sub>(3823) | ||
| | | 3822,2 ±1,2 | ||
| ''Υ''(1''D'') | | ''Υ''<sub>2</sub>(1''D'') | ||
| 10.163,7 ±1,4 | | 10.163,7 ±1,4 | ||
|- | |- | ||
| Zeile 210: | Zeile 198: | ||
| ''Υ''<sub>3</sub>(1''D''){{FN|†}} | | ''Υ''<sub>3</sub>(1''D''){{FN|†}} | ||
| | | | ||
|- style="border-bottom:2pt black | |- style="border-bottom:2pt solid black" | ||
| 1<sup>−−</sup> | | 1<sup>−−</sup> | ||
| ?<sup>?</sup>?<sub>?</sub> | | ?<sup>?</sup>?<sub>?</sub> | ||
| ''Y''(4260) | | ''ψ''(4260) = ''Y''(4260) | ||
| | | 4230 ±8 | ||
| | | | ||
| | | | ||
| Zeile 224: | Zeile 212: | ||
| ''h<sub>b</sub>''(1''P'') = ''h<sub>b</sub>'' | | ''h<sub>b</sub>''(1''P'') = ''h<sub>b</sub>'' | ||
| 9899,3 ±0,8 | | 9899,3 ±0,8 | ||
|- style="border-bottom:2pt black | |- style="border-bottom:2pt solid black" | ||
| 1<sup>+−</sup> | | 1<sup>+−</sup> | ||
| 2<sup>1</sup>P<sub>1</sub> | | 2<sup>1</sup>P<sub>1</sub> | ||
| Zeile 235: | Zeile 223: | ||
| '''1<sup>3</sup>P<sub>0</sub>''' | | '''1<sup>3</sup>P<sub>0</sub>''' | ||
| ''χ''<sub>''c''0</sub>(1''P'') = ''χ''<sub>''c''0</sub> | | ''χ''<sub>''c''0</sub>(1''P'') = ''χ''<sub>''c''0</sub> | ||
| 3414, | | 3414,71 ±0,30 | ||
| ''χ''<sub>''b''0</sub>(1''P'') = ''χ''<sub>''b''0</sub> | | ''χ''<sub>''b''0</sub>(1''P'') = ''χ''<sub>''b''0</sub> | ||
| 9859,44 ±0,52 | | 9859,44 ±0,52 | ||
| Zeile 249: | Zeile 237: | ||
| 1<sup>3</sup>P<sub>1</sub> | | 1<sup>3</sup>P<sub>1</sub> | ||
| ''χ''<sub>''c''1</sub>(1''P'') | | ''χ''<sub>''c''1</sub>(1''P'') | ||
| 3510, | | 3510,67 ±0,05 | ||
| ''χ''<sub>''b''1</sub>(1''P'') | | ''χ''<sub>''b''1</sub>(1''P'') | ||
| 9892,78 ±0,40 | | 9892,78 ±0,40 | ||
| Zeile 270: | Zeile 258: | ||
| 1<sup>3</sup>P<sub>2</sub> | | 1<sup>3</sup>P<sub>2</sub> | ||
| ''χ''<sub>''c''2</sub>(1''P'') | | ''χ''<sub>''c''2</sub>(1''P'') | ||
| 3556, | | 3556,17 ±0,07 | ||
| ''χ''<sub>''b''2</sub>(1''P'') | | ''χ''<sub>''b''2</sub>(1''P'') | ||
| 9912,21 ±0,40 | | 9912,21 ±0,40 | ||
| Zeile 280: | Zeile 268: | ||
| ''χ''<sub>''b''2</sub>(2''P'') | | ''χ''<sub>''b''2</sub>(2''P'') | ||
| 10.268,65 ±0,55 | | 10.268,65 ±0,55 | ||
|- style="border-bottom:2pt black | |- style="border-bottom:2pt solid black" | ||
| 1<sup>+</sup><sup>+</sup> | | 1<sup>+</sup><sup>+</sup> | ||
| ?<sup>?</sup>?<sub>1</sub> | | ?<sup>?</sup>?<sub>1</sub> | ||
| ''X''(3872) | | ''χ''<sub>''c''1</sub>(3872) = ''X''(3872){{FN|**}} | ||
| 3871,69 ±0,17 | | 3871,69 ±0,17 | ||
| | |||
| | |||
|} | |} | ||
{{FNBox| | |||
<!-- {{FNZ|*|noch zu bestätigen}} --> | |||
{{FNZ|†|vorhergesagt, aber noch nicht identifiziert.}} | |||
{{FNZ|**|Die Quantenzahlen des X(3872)-Teilchens sind Gegenstand aktueller Untersuchungen,<ref>{{Literatur |Autor=LHCb collaboration |Titel=Determination of the X(3872) meson quantum numbers |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=110 |Nummer=22 |Datum=2013-05 |arXiv=1302.6269v1 |DOI=10.1103/PhysRevLett.110.222001}}</ref> seine Identität ist nicht vollständig geklärt. Es kann sich handeln um: | |||
* einen Kandidaten für den 1<sup>1</sup>D<sub>2</sub>-Zustand; | |||
* einen hybriden Charmonium-Zustand; | |||
* ein <math>D^0\bar D^{*0}</math>-Molekül. | |||
}} | |||
}} | |||
2005 veröffentlichte das [[BaBar-Experiment]] die Entdeckung des neuen Zustands Y(4260).<ref>{{Internetquelle |url=http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351 |titel=A new particle discovered by BaBar experiment |hrsg=[[Istituto Nazionale di Fisica Nucleare]] |datum=2005-07-06 |abruf=2010-03-06}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=B. Aubert u. a. (BaBar Collaboration) |Titel=Observation of a broad structure in the π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>J/ψ mass spectrum around 4.26 GeV/c<sup>2</sup> |Sammelwerk=[[Physical Review Letters]] |Band=95 |Nummer=14 |Datum=2005 |Seiten=142001 |arXiv=hep-ex/0506081 |DOI=10.1103/PhysRevLett.95.142001}}</ref> | |||
Die Beobachtungen wurden von den Experimenten CLEO und [[Belle-Experiment|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 == | == Literatur == | ||
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 ($ c,b,t\!\, $) haben eigene Namen: gebundene $ c{\bar {c}} $-Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen Charmonium, gebundene $ b{\bar {b}} $-Zustände Bottomonium. Da die Lebensdauer des Top-Quarks $ t $ extrem kurz ist, können sich höchstwahrscheinlich keine $ t{\bar {t}} $-Systeme (Toponium) bilden.
Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks ($ u,d,s\!\, $) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch – vor allem $ u{\bar {u}} $ mit $ d{\bar {d}} $. Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer einzelnen Quarksorte zuordenbar.
Der Name Quarkonium ist analog zum Positronium, bei dem ein Elektron und ein Positron zum $ e^{+}e^{-}\!\, $ gebunden sind. Wie beim Positronium kennzeichnet man Quarkonia durch folgende Quantenzahlen:
| Bahndreh- impuls $ L\!\, $ |
Kenn- buchstabe |
|---|---|
| 0 | S |
| 1 | P |
| 2 | D |
| 3 | F |
| 4 | G |
| 5 | H |
| 6 | I |
| 7 | K |
| … | … |
in der Nomenklatur $ n^{2S+1}L_{J}\!\, $ (Termsymbol) bzw. $ nL\!\, $ (spektroskopische Bezeichnung), wobei der Bahndrehimpuls $ L\!\, $ 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 $ n=N+1+l\!\, $ ($ N\!\, $ für die Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion, klein $ l\!\, $ für den Bahndrehimpuls), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der Kernphysik mit $ n=N+1\!\, $. Einem 23P1-Positronium entspricht also ein 13P1-Charmonium.
Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls $ J\!\, $ nur:
Bahndrehimpuls $ L\!\, $ und Quarkspin-Kopplung $ S\!\, $ lassen sich daraus ableiten.
Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur[1]
| beobachtet: $ J^{PC}\!\, $ |
Bahndrehimpuls $ L\!\, $ |
gekoppelter Spin $ S\!\, $ |
Gesamtdrehimpuls $ J\!\, $ |
Grundzustand ($ n^{2S+1}L_{J}\!\, $) |
Mischung aus $ u{\bar {u}} $ und $ d{\bar {d}} $ Isospin=1 |
Mischung aus $ u{\bar {u}} $, $ d{\bar {d}} $, $ s{\bar {s}} $ Isospin=0 |
Charmonium $ c{\bar {c}} $ |
Bottomonium $ b{\bar {b}} $ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $ J^{-+}\!\, $ | gerade $ \Rightarrow $ S, D, G, … |
gerade $ \Rightarrow $ 0 |
0, 2, 4, … | 11S0 | Pion $ \pi \!\, $ | η-Meson $ \eta ,\eta '\!\, $ | $ \eta _{c}\!\, $ | $ \eta _{b}\!\, $ |
| $ J^{--}\!\, $ | ungerade $ \Rightarrow $ 1 |
1, 2, 3, … | 13S1 | Rho-Meson $ \rho \!\, $ | Omega-Meson $ \omega \!\, $, Phi-Meson $ \phi \!\, $ | $ \psi \!\, $[Anm. 1] | Y-Meson $ \Upsilon \!\, $ | |
| $ J^{+-}\!\, $ | ungerade $ \Rightarrow $ P, F, H, … |
gerade $ \Rightarrow $ 0 |
1, 3, 5, … | 11P1 | $ b\!\, $ | $ h,h'\!\, $ | $ h_{c}\!\, $ | $ h_{b}\!\, $ |
| $ J^{++}\!\, $ | ungerade $ \Rightarrow $ 1 |
0, 1, 2, … | 13P0 | $ a\!\, $ | $ f,f'\!\, $ | $ \chi _{c}\!\, $ | $ \chi _{b}\!\, $ |
| JPC | Termsymbol n2S + 1LJ | Charmonium $ c{\bar {c}} $ | Bottomonium $ b{\bar {b}} $ | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 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 | ||
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.