Quarkonium: Unterschied zwischen den Versionen

Quarkonium: Unterschied zwischen den Versionen

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K (nicht https)
 
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In der [[Teilchenphysik]] bezeichnet man mit '''Quarkonium''' (Plural: Quarkonia) die [[Gebundener Zustand|gebundenen Zustände]] aus einem [[Quark (Physik)|Quark]] und seinem [[Antiteilchen|Anti]]<nowiki />quark. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei um [[Meson]]en ohne [[elektrische Ladung]] oder [[Flavour]].
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'''. Ein Nachweis des [[Hypothese|hypothetischen]] <math>t\bar t</math>-Systems '''Toponium''' ist extrem schwierig bis unmöglich, da seine Formationszeit vermutlich länger ist als die [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des Top-Quarks <math>t\!\,</math>, das aufgrund seiner hohen Masse extrem kurzlebig ist.
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]]&nbsp;<math>L\!\,</math> und
* [[Bahndrehimpuls]]&nbsp;<math>L\!\,</math> und
* [[Gesamtdrehimpuls]]&nbsp;<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]]&nbsp;<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>)
in der [[Nomenklatur]] <math>n^{2S+1}L_J\!\,</math> ([[Termsymbol]]) bzw. <math>nL\!\,</math> (spektroskopische Bezeichnung), wobei für den Bahndrehimpuls&nbsp;<math>L\!\,</math> folgende Kennzeichnung gilt:


{| class="wikitable centered zebra" style="text-align:center"
{| class="wikitable float-right zebra" style="text-align:center"
|-
! Bahndreh-<br />impuls&nbsp;<math>L\!\,</math> !! Kenn-<br />buchstabe
|-
|-
! Bahndrehimpuls&nbsp;<math>L\!\,</math>
! Kennzeichnung
|- class="hintergrundfarbe1"
| 0 || S
| 0 || S
|- class="hintergrundfarbe5"
|-
| 1 || P
| 1 || P
|- class="hintergrundfarbe1"
|-
| 2 || D
| 2 || D
|- class="hintergrundfarbe5"
|-
| 3 || F
| 3 || F
|- class="hintergrundfarbe1"
|-
| 4 || G
| 4 || G
|- class="hintergrundfarbe5"
|-
| 5 || H
| 5 || H
|- class="hintergrundfarbe1"
|-
| 6 || I
| 6 || I
|- class="hintergrundfarbe5"
|-
| 7 || K
| 7 || K
|- class="hintergrundfarbe1"
|-
| … || …
| … || …
|}
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in der [[Nomenklatur]] <math>n^{2S+1}L_J\!\,</math> ([[Termsymbol]]) bzw. <math>nL\!\,</math> (spektroskopische Bezeichnung), wobei der Bahndrehimpuls&nbsp;<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>[http://pdg.lbl.gov/2004/reviews/namingrpp.pdf Particle Data Group]; PDF; 66&nbsp;kB</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"| beobachtet:<br /><math>J^{PC}\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| beob&shy;achtet:<br /><math>J^{PC}\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Bahndrehimpuls<br /><math>L\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Bahn&shy;drehimpuls<br /><math>L\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| gekoppelter Spin<br /><math>S\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| gekoppel&shy;ter Spin<br /><math>S\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Gesamt-drehimpuls<br /><math>J\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Gesamt&shy;drehimpuls<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 />([[Isospin]] 1)
! 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> und <math>s\bar s</math><br />(Isospin 0)
! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math>, <math>d\bar d</math>, <math>s\bar s</math><br />Isospin=0
! class="hintergrundfarbe5"| Charmonium<br /><math>c\bar c</math><br />(Isospin 0)
! class="hintergrundfarbe5"| Charm&shy;onium<br /><math>c\bar c</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Bottomonium<br /><math>b\bar b</math><br />(Isospin 0)
! class="hintergrundfarbe5"| Bottom&shy;onium<br /><math>b\bar b</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Toponium<br /><math>t\bar t</math><ref group="Anm.">hypothetisch</ref><br />(Isospin 0)
|-
|-
| <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]]en <math>\pi\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe8" | [[Pion]] <math>\pi\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe8" | [[η-Meson]]en <math>\eta, \eta'\!\,</math>
| 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>
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\eta_t\!\,</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]]en <math>\rho\!\,</math>
| 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]]&nbsp;<math>\Upsilon\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe8" | [[Ypsilon-Meson|Y-Meson]]&nbsp;<math>\Upsilon\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\theta\!\,</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>
| class="hintergrundfarbe8" | <math>h_t\!\,</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>
| class="hintergrundfarbe8" | <math>\chi_t\!\,</math>
|}
|}
<references group="Anm." />
<references group="Anm." />


* Für die aus schweren Quarks (<math>c, b, t\!\,</math>) gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung (<math>nL\!\,</math>) mit angegeben – z.&nbsp;B. <math>\psi(2S)\!\,</math> - sowie <math>J\!\,</math> als weiterer Index – z.&nbsp;B. <math>\chi_{c1}(1P)\!\,</math>. Letzteres ist nicht nötig bei <math>S = 0\!\,</math> d.&nbsp;h. bei <math>2S+1 = 1\!\,</math>, weil dann <math>J = L\!\,</math>. Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich, wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c<sup>2</sup> angegeben, z.&nbsp;B. <math>\psi(3770)\!\,</math>.
* Für die aus schweren Quarks (<math>c, b\!\,</math>) gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung (<math>nL\!\,</math>) mit angegeben – z.&nbsp;B. <math>\psi(2S)\!\,</math>, sowie <math>J\!\,</math> als weiterer Index – z.&nbsp;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.&nbsp;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>.


== Charmonia und Bottomia ==
== Nachgewiesene Quarkonia ==
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 |zugriff=2010-03-06}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=B. Aubert  u. a. (BaBar Collaboration) |Titel=Observation of a broad structure in the &pi;<sup>+</sup>&pi;<sup>−</sup>J/ψ mass spectrum around 4.26&nbsp;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>
{| class="wikitable" style="text-align:center"
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.
 
{| class="wikitable centered" style="text-align:center"
|-
|-
! width="40px" rowspan="2"| ''J<sup>PC</sup>''
! style="width:40px" rowspan="2"| ''J<sup>PC</sup>''
! width="40px" rowspan="2"| Termsymbol {{nowrap|''n''<sup>2''S'' + 1</sup>''L''<sub>''J''</sub>}}
! 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"| Bottomium <math>b\bar b</math>
! 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>C. Patrignani ''et al''. (Particle Data Group), 2017: [http://pdg.lbl.gov/2017/tables/rpp2017-tab-mesons-c-cbar.pdf cc̅ Mesons]</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>C. Patrignani ''et al''. (Particle Data Group), 2017: [http://pdg.lbl.gov/2017/tables/rpp2017-tab-mesons-b-bbar.pdf bb̅ Mesons]</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>''
| 2983,4 ±0,5
| 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><sup>'</sup>''
| ''η<sub>c</sub>''(2''S'') = ''η<sub>c</sub><nowiki>'</nowiki>''
| 3639,2 ±1,2
| 3637,6 ±1,2
| ''η<sub>b</sub>''(2''S'')
| ''η<sub>b</sub>''(2''S'')
|
|
|- style="border-bottom:2pt black solid"
|- 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''){{FN|†}}
| ''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 solid"
|- 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)
| 4263 <sup>+8</sup><sub>-9</sub>
| 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 solid"
|- 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>
| 3414,75 ±0,31
| 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'')
| 3510,66 ±0,07
| 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'')
| 3556,20 ±0,09
| 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 solid"
|- 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
|
|
|}
|}


Anmerkungen:
{{FNBox|
* {{FNZ|*|noch zu bestätigen}}
<!--  {{FNZ|*|noch zu bestätigen}} -->
* {{FNZ|†|vorhergesagt, aber noch nicht identifiziert.}}
  {{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.
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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&nbsp;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 ==

Aktuelle Version vom 7. Februar 2022, 19:28 Uhr

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 cc¯-Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen Charmonium, gebundene bb¯-Zustände Bottomonium. Da die Lebensdauer des Top-Quarks t extrem kurz ist, können sich höchstwahrscheinlich keine tt¯-Systeme (Toponium) bilden.

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (u,d,s) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch – vor allem uu¯ mit dd¯. 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 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 n2S+1LJ (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.

Mesonen

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

beob­achtet:
JPC
Bahn­drehimpuls
L
gekoppel­ter Spin
S
Gesamt­drehimpuls
J
Grundzustand
(n2S+1LJ)
Mischung aus uu¯ und dd¯
Isospin=1
Mischung aus uu¯, dd¯, ss¯
Isospin=0
Charm­onium
cc¯
Bottom­onium
bb¯
J+ gerade
S, D, G, …
gerade
0
0, 2, 4, … 11S0 Pion π η-Meson η,η ηc ηb
J ungerade
1
1, 2, 3, … 13S1 Rho-Meson ρ Omega-Meson ω, Phi-Meson ϕ ψ[Anm. 1] Y-Meson Υ
J+ ungerade
P, F, H, …
gerade
0
1, 3, 5, … 11P1 b h,h hc hb
J++ ungerade
1
0, 1, 2, … 13P0 a f,f χc χb
  1. aus historischen Gründen wird der 1−−-Grundzustand als J/ψ-Meson bezeichnet
  • Für die aus schweren Quarks (c,b) gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung (nL) mit angegeben – z. B. ψ(2S), sowie J als weiterer Index – z. B. χc1(1P). Letzteres ist nicht nötig bei L=0, weil dann J=S. Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich, wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c2 angegeben, z. B. ψ(3770).
  • Für die aus leichten Quarks (u,d,s) 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 ηc(1S)=ηc und ϕ(1020)=ϕ.

Nachgewiesene Quarkonia

JPC Termsymbol n2S + 1LJ Charmonium cc¯ Bottomonium bb¯
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 D0D¯0-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

  1. Particle Data Group: Naming scheme for hadrons (Revised in 2017). (PDF; 86 kB) Abgerufen am 17. Februar 2018 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
  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.