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 ${\displaystyle c}$ und ${\displaystyle b}$ haben eigene Namen: gebundene ${\displaystyle c{\bar {c}}}$-Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen Charmonium, gebundene ${\displaystyle b{\bar {b}}}$-Zustände Bottomonium. Da die Lebensdauer des Top-Quarks ${\displaystyle t}$ extrem kurz ist, können sich höchstwahrscheinlich keine ${\displaystyle t{\bar {t}}}$-Systeme (Toponium) bilden.

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (${\displaystyle u,d,s\!\,}$) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch – vor allem ${\displaystyle u{\bar {u}}}$ mit ${\displaystyle d{\bar {d}}}$. 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 ${\displaystyle e^{ }e^{-}\!\,}$ gebunden sind. Wie beim Positronium kennzeichnet man Quarkonia durch folgende Quantenzahlen:

• Hauptquantenzahl ${\displaystyle \,n=1,\,2\,,3\,\ldots }$
• Kopplung der Quarkspins ${\displaystyle S\!\,}$ (Zahlenwert ${\displaystyle 0\!\,}$ oder ${\displaystyle 1\!\,}$) bzw. Multiplizität ${\displaystyle 2S 1\!\,}$ (Zahlenwert ${\displaystyle 1\!\,}$ oder ${\displaystyle 3\!\,}$)
• Bahndrehimpuls ${\displaystyle L\!\,}$ und
• Gesamtdrehimpuls ${\displaystyle J\!\,}$ (mögliche Werte ${\displaystyle J=L S,L S-1,\dots ,|L-S|\!\,}$ aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung ${\displaystyle {\hat {J}}={\hat {L}} {\hat {S}}}$)

in der Nomenklatur ${\displaystyle n^{2S 1}L_{J}\!\,}$ (Termsymbol) bzw. ${\displaystyle nL\!\,}$ (spektroskopische Bezeichnung), wobei der Bahndrehimpuls ${\displaystyle L\!\,}$ 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 ${\displaystyle n=N 1 l\!\,}$ (${\displaystyle N\!\,}$ für die Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion, klein ${\displaystyle l\!\,}$ für den Bahndrehimpuls), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der Kernphysik mit ${\displaystyle n=N 1\!\,}$. Einem 2³P₁-Positronium entspricht also ein 1³P₁-Charmonium.

Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls ${\displaystyle J\!\,}$ nur:

• die Parität ${\displaystyle P=(-1)^{L 1}\!\,}$ und
• die Ladungskonjugation ${\displaystyle C=(-1)^{L S}\!\,}$.

Bahndrehimpuls ${\displaystyle L\!\,}$ und Quarkspin-Kopplung ${\displaystyle S\!\,}$ lassen sich daraus ableiten.

Mesonen

Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur

• Für die aus schweren Quarks (${\displaystyle c,b\!\,}$) gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung (${\displaystyle nL\!\,}$) mit angegeben – z. B. ${\displaystyle \psi (2S)\!\,}$, sowie ${\displaystyle J\!\,}$ als weiterer Index – z. B. ${\displaystyle \chi _{c1}(1P)\!\,}$. Letzteres ist nicht nötig bei ${\displaystyle L=0\!\,}$, weil dann ${\displaystyle J=S\!\,}$. Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich, wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c² angegeben, z. B. ${\displaystyle \psi (3770)\!\,}$.
• Für die aus leichten Quarks (${\displaystyle u,d,s\!\,}$) 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 ${\displaystyle \eta _{c}(1S)=\eta _{c}\!\,}$ und ${\displaystyle \phi (1020)=\phi \!\,}$.

Nachgewiesene Quarkonia

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

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

Einzelnachweise