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Quarkonium – Wikipedia (Deutsch) – Lokale Kopie Zum Inhalt springen

Quarkonium

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Bottomonium)

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 <math>c</math> und <math>b</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. Ob sich <math>t\bar t</math>-Systeme (Toponium) bilden können, ist ungeklärt.

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (<math>u, d, s\!\,</math>) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz 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.

Nomenklatur

Quantenzahlen und spektroskopische Zustände

Der Name Quarkonium ist analog zum Positronium, bei dem ein Elektron und ein Positron zum <math>e^+e^-\!\,</math> gebunden sind. Wie beim Positronium kennzeichnet man Quarkonia durch folgende Quantenzahlen:

  • Hauptquantenzahl <math>\,n = 1,\,2\,,3\,\ldots</math>
  • Kopplung der Quarkspins <math>S\!\,</math> (Zahlenwert <math>0\!\,</math> oder <math>1\!\,</math>) bzw. Multiplizität <math>2S+1\!\,</math> (Zahlenwert <math>1\!\,</math> oder <math>3\!\,</math>)
  • Bahndrehimpuls <math>L\!\,</math> und
  • Gesamtdrehimpuls <math>J\!\,</math> (mögliche Werte <math>J = L+S, L+S-1, \dots, |L-S|\!\,</math> aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung <math>\hat J = \hat L + \hat S</math>)
Bahndreh-
impuls <math>L\!\,</math>		 Kenn-
buchstabe
0 S
1 P
2 D
3 F
4 G
5 H
6 I
7 K
… …

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 Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion, klein <math>l\!\,</math> für den Bahndrehimpuls), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der Kernphysik mit <math>n = N+1\!\,</math>. Einem 23P1-Positronium entspricht also ein 13P1-Charmonium.

Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls <math>J\!\,</math> nur:

Bahndrehimpuls <math>L\!\,</math> und Quarkspin-Kopplung <math>S\!\,</math> lassen sich daraus ableiten.

Mesonen

Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklatur<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Particle Data Group|Particle Data Group: }}{{#if:|{{#if:Naming scheme for hadrons (Revised in 2017)|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Naming scheme for hadrons (Revised in 2017)}}]{{#if:PDF; 86 kB| (PDF; 86 kB)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://pdg.lbl.gov/2017/reviews/rpp2017-rev-naming-scheme-hadrons.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Naming scheme for hadrons (Revised in 2017)}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://pdg.lbl.gov/2017/reviews/rpp2017-rev-naming-scheme-hadrons.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Naming scheme for hadrons (Revised in 2017)}}}}]}}{{#if:PDF; 86 kB| (PDF; 86 kB{{#if:{{#if: 2018-02-17 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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beob­achtet:
<math>J^{PC}\!\,</math> 		Bahn­drehimpuls
<math>L\!\,</math> 		gekoppel­ter Spin
<math>S\!\,</math> 		Gesamt­drehimpuls
<math>J\!\,</math> 		Grundzustand
(<math>n^{2S+1}L_J\!\,</math>) 		Mischung aus <math>u\bar u</math> und <math>d\bar d</math>
Isospin=1 		Mischung aus <math>u\bar u</math>, <math>d\bar d</math>, <math>s\bar s</math>
Isospin=0 		Charm­onium
<math>c\bar c</math> 		Bottom­onium
<math>b\bar b</math>
<math>J^{-+}\!\,</math> gerade
<math>\Rightarrow</math> S, D, G, … 		gerade
<math>\Rightarrow</math> 0 		0, 2, 4, … 11S0 Pion <math>\pi\!\,</math> η-Meson <math>\eta, \eta'\!\,</math> <math>\eta_c\!\,</math> <math>\eta_b\!\,</math>
<math>J^{--}\!\,</math> ungerade
<math>\Rightarrow</math> 1 		1, 2, 3, … 13S1 Rho-Meson <math>\rho\!\,</math> Omega-Meson <math>\omega\!\,</math>, Phi-Meson <math>\phi\!\,</math> <math>\psi\!\,</math><ref group="Anm.">aus historischen Gründen wird der 1−−-Grundzustand als J/ψ-Meson bezeichnet.</ref> Y-Meson <math>\Upsilon\!\,</math>
<math>J^{+-}\!\,</math> ungerade
<math>\Rightarrow</math> P, F, H, … 		gerade
<math>\Rightarrow</math> 0 		1, 3, 5, … 11P1 <math>b\!\,</math> <math>h, h'\!\,</math> <math>h_c\!\,</math> <math>h_b\!\,</math>
<math>J^{++}\!\,</math> ungerade
<math>\Rightarrow</math> 1 		0, 1, 2, … 13P0 <math>a\!\,</math> <math>f, f'\!\,</math> <math>\chi_c\!\,</math> <math>\chi_b\!\,</math>

<references group="Anm." />

  • 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/c2 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/c2 angegeben.
  • 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

JPC Termsymbol {{#if:trim|n2S + 1LJ}} Charmonium <math>c\bar c</math> Bottomonium <math>b\bar b</math>
Hadron Masse
(MeV/c2)<ref>M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: cc̅ Mesons.</ref> 		Hadron Masse
(MeV/c2)<ref>M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: bb̅ Mesons.</ref>
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 0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=†|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|†}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

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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 0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=†|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|†}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

}}{{#switch: ERROR

{{#switch: Vorlage:Str match |[|] = ERROR |(Direkteingabe der Klammern)}} {{#switch: Vorlage:Str match |91|93 = ERROR |(HTML-Entität dezimal)}} {{#switch: Vorlage:Str match |5b|5d = ERROR |(HTML-Entität hexadezimal)}} {{#switch: Vorlage:Str match |lbrack|rbrack = ERROR |(benannte HTML-Entität)}}

=Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=†|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|†}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

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=Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

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 0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=†|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|†}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

}}{{#switch: ERROR

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=Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

hb(2P)
0++ 13P0 χc0(1P) = χc0 3414,71 ±0,30 χb0(1P) = χb0 9859,44 ±0,52
0++ 23P0 0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=†|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|†}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

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=Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

χb0(2P) 10.232,5 ±0,6
1++ 13P1 χc1(1P) 3510,67 ±0,05 χb1(1P) 9892,78 ±0,40
1++ 23P1 0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=†|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|†}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

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=Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

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 0 | span | sup}} class="fussnoten-marke" data-annotationpair-m="{{#invoke:URLutil|anchorencode|1=**|2=1}}">{{#invoke:TemplUtl|nowiki1|**}}</{{#ifeq: | 0 | span | sup}}>{{#switch:0|10|11=|#default={{#invoke:TemplatePar|match 1=1=+ 2=SUP=n 3=gruppe=* template=Vorlage:FN cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Fußnoten

}}{{#switch: ERROR

{{#switch: Vorlage:Str match |[|] = ERROR |(Direkteingabe der Klammern)}} {{#switch: Vorlage:Str match |91|93 = ERROR |(HTML-Entität dezimal)}} {{#switch: Vorlage:Str match |5b|5d = ERROR |(HTML-Entität hexadezimal)}} {{#switch: Vorlage:Str match |lbrack|rbrack = ERROR |(benannte HTML-Entität)}}

=Vorlage:FN, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

3871,69 ±0,17

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=Vorlage:FNZ, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}}

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  • einen hybriden Charmonium-Zustand;
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|-||<{{#if: |span|div}} class="reference-text">Die Quantenzahlen des X(3872)-Teilchens sind Gegenstand aktueller Untersuchungen,<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> seine Identität ist nicht vollständig geklärt. Es kann sich handeln um:
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=Vorlage:FNZ, Fehler in Parameter 1: Keine eckigen Klammern verwenden, das führt sonst zu Verwechslungen mit dem offiziellen MediaWiki-Belegsystem. }}}} 

|

|Vorlage:FNBox, Parameter 1 leer oder nicht korrekt angegeben.

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Toponium und andere Systeme

Da die Lebensdauer des Top-Quarks <math>t</math> extrem kurz ist, wurde vermutet, dass sich keine <math>t\bar t</math>-Systeme (Toponium) bilden. Im Jahr 2025 wurden jedoch Messergebnisse veröffentlicht, die sich als Produktion von Toponium deuten lassen.<ref> CERN Courier: CMS observes top–antitop excess, 2. April 2025.</ref>

2005 veröffentlichte das BaBar-Experiment die Entdeckung des neuen Zustands Y(4260).<ref>{{#if:2012-02-27|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20120227095701/http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351%7C{{#if:A new particle discovered by BaBar experiment|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20120227095701/http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=A new particle discovered by BaBar experiment}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=A new particle discovered by BaBar experiment}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=A new particle discovered by BaBar experiment}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:jaIstituto Nazionale di Fisica Nucleare2005-07-06https://web.archive.org/web/20120227095701/http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351{{#if: 2010-03-06 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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Literatur

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

Einzelnachweise

<references />

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