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2026-02-05T06:39:48Z

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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</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 [[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.

== 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 [[Quantenzahl]]en:
* [[Hauptquantenzahl]] <math>\,n = 1,\,2\,,3\,\ldots</math>
* Kopplung der Quark[[spin]]s <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 [[Drehimpulsoperator #Spin-Bahn-Kopplung|Spin-Bahn-Kopplung]] <math>\hat J = \hat L + \hat S</math>)

{| class="wikitable float-right zebra" style="text-align:center"
|-
! 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 [[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 23P1-Positronium entspricht also ein 13P1-Charmonium.

Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls <math>J\!\,</math> nur:
* die [[Parität (Physik)|Parität]] <math>P=(-1)^{L+1}\!\,</math> und
* die [[Ladungskonjugation]] <math>C=(-1)^{L+S}\!\,</math>.
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>{{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="hintergrundfarbe5"| beobachtet: <math>J^{PC}\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Bahndrehimpuls <math>L\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| gekoppelter Spin <math>S\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Gesamtdrehimpuls <math>J\!\,</math>
! class="hintergrundfarbe5"| [[Grundzustand]] (<math>n^{2S+1}L_J\!\,</math>)
! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math> und <math>d\bar d</math> [[Isospin]]=1
! class="hintergrundfarbe5"| Mischung aus <math>u\bar u</math>, <math>d\bar d</math>, <math>s\bar s</math> Isospin=0
! class="hintergrundfarbe5"| Charmonium <math>c\bar c</math>
! class="hintergrundfarbe5"| Bottomonium <math>b\bar b</math>
|-
| <math>J^{-+}\!\,</math>
| rowspan="2" class = "hintergrundfarbe1" | ''gerade'' <math>\Rightarrow</math> S, D, G, …
| ''gerade'' <math>\Rightarrow</math> 0
| 0, 2, 4, …
| 11S0
| class="hintergrundfarbe-basis" | [[Pion]] <math>\pi\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | [[η-Meson]] <math>\eta, \eta'\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>\eta_c\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>\eta_b\!\,</math>
|-
| <math>J^{--}\!\,</math>
| ''ungerade'' <math>\Rightarrow</math> 1
| 1, 2, 3, …
| 13S1
| class="hintergrundfarbe-basis" | [[Rho-Meson]] <math>\rho\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | [[Omega-Meson]] <math>\omega\!\,</math>, [[Phi-Meson]] <math>\phi\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>\psi\!\,</math><ref group="Anm.">aus historischen Gründen wird der 1−−-Grundzustand als [[J/ψ-Meson]] bezeichnet.</ref>
| class="hintergrundfarbe-basis" | [[Ypsilon-Meson|Y-Meson]] <math>\Upsilon\!\,</math>
|-
| <math>J^{+-}\!\,</math>
| rowspan="2" class = "hintergrundfarbe1" | ''ungerade'' <math>\Rightarrow</math> P, F, H, …
| ''gerade'' <math>\Rightarrow</math> 0
| 1, 3, 5, …
| 11P1
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>b\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis-basis" | <math>h, h'\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>h_c\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>h_b\!\,</math>
|-
| <math>J^{++}\!\,</math>
| ''ungerade'' <math>\Rightarrow</math> 1
| 0, 1, 2, …
| 13P0
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>a\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>f, f'\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <math>\chi_c\!\,</math>
| class="hintergrundfarbe-basis" | <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 ==

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! style="width:40px" rowspan="2"| ''JPC''
! style="width:40px" rowspan="2"| Termsymbol {{nowrap|''n''2''S'' + 1''L''''J''}}
! colspan="2"| Charmonium <math>c\bar c</math>
! colspan="2"| Bottomonium <math>b\bar b</math>
|- class="hintergrundfarbe5"
| width = "150px" | Hadron
| Masse (MeV/c2)<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" | Hadron
| Masse (MeV/c2)<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−+
| '''11S0'''
| ''ηc''(1''S'') = ''ηc''
| 2983,9 ±0,5
| ''ηb''(1''S'') = ''ηb''
| 9399,0 ±2,3
|-
| 0−+
| 21S0
| ''ηc''(2''S'') = ''ηc<nowiki>'</nowiki>''
| 3637,6 ±1,2
| ''ηb''(2''S'')
|
|- style="border-bottom:2pt solid"
| 2−+
| 11D2
| ''η''''c''(1''D''){{FN|†}}
|
| ''η''''b''(1''D''){{FN|†}}
|
|-
| 1−−
| '''13S1'''
| ''J/ψ''(1''S'') = ''J/ψ''
| 3096,900 ±0,006
| ''Υ''(1''S'') = ''Υ''
| 9460,30 ±0,26
|-
| 1−−
| 23S1
| ''ψ''(2''S'') = ''ψ''(3686)
| 3686,097 ±0,025
| ''Υ''(2''S'')
| 10.023,26 ±0,31
|-
| 1−−
| 33S1
|
|
| ''Υ''(3''S'')
| 10.355,2 ±0,5
|-
| 1−−
| 43S1
|
|
| ''Υ''(4''S'') = ''Υ''(10580)
| 10.579,4 ±1,2
|-
| 1−−
| 53S1
|
|
| ''Υ''(5''S'') = ''Υ''(10860)
| 10.889,9 ±3,2
|-
| 1−−
| 63S1
|
|
| ''Υ''(6''S'') = ''Υ''(11020)
| 10.992,9 ±10
|-
| 1−−
| 13D1
| ''ψ''(3770)
| 3773,13 ±0,35
|
|
|-
| 2−−
| 13D2
| ''ψ''2(1''D'') = ''ψ''2(3823)
| 3822,2 ±1,2
| ''Υ''2(1''D'')
| 10.163,7 ±1,4
|-
| 3−−
| 13D3
| ''ψ''3(1''D''){{FN|†}}
|
| ''Υ''3(1''D''){{FN|†}}
|
|- style="border-bottom:2pt solid"
| 1−−
| ????
| ''ψ''(4260) = ''Y''(4260)
| 4230 ±8
|
|
|-
| 1+−
| '''11P1'''
| ''hc''(1''P'') = ''hc''
| 3525,38 ±0,11
| ''hb''(1''P'') = ''hb''
| 9899,3 ±0,8
|- style="border-bottom:2pt solid"
| 1+−
| 21P1
| ''hc''(2''P''){{FN|†}}
|
| ''hb''(2''P'')
|
|-
| 0++
| '''13P0'''
| ''χ''''c''0(1''P'') = ''χ''''c''0
| 3414,71 ±0,30
| ''χ''''b''0(1''P'') = ''χ''''b''0
| 9859,44 ±0,52
|-
| 0++
| 23P0
| ''χ''''c''0(2''P''){{FN|†}}
|
| ''χ''''b''0(2''P'')
| 10.232,5 ±0,6
|-
| 1++
| 13P1
| ''χ''''c''1(1''P'')
| 3510,67 ±0,05
| ''χ''''b''1(1''P'')
| 9892,78 ±0,40
|-
| 1++
| 23P1
| ''χ''''c''1(2''P''){{FN|†}}
|
| ''χ''''b''1(2''P'')
| 10.255,46 ±0,55
|-
| 1++
| 33P1
|
|
| ''χ''''b''1(3''P'')
| 10.512,1 ±2,3
|-
| 2++
| 13P2
| ''χ''''c''2(1''P'')
| 3556,17 ±0,07
| ''χ''''b''2(1''P'')
| 9912,21 ±0,40
|-
| 2++
| 23P2
| ''χ''''c''2(2''P'')
| 3927,2 ±2,6
| ''χ''''b''2(2''P'')
| 10.268,65 ±0,55
|- style="border-bottom:2pt solid"
| 1++
| ???1
| ''χ''''c''1(3872) = ''X''(3872){{FN|**}}
| 3871,69 ±0,17
|
|
|}

{{FNBox|

{{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 11D2-Zustand;
* einen hybriden Charmonium-Zustand;
* ein <math>D^0\bar D^{*0}</math>-Molekül.
}}
}}

== Toponium und andere Systeme ==
Da die [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des [[Top-Quark]]s <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> [https://cerncourier.com/a/cms-observes-top-antitop-excess-2/ CERN Courier: CMS observes top–antitop excess], 2. April 2025.</ref>

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 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20120227095701/http://www.infn.it/news/newsen.php?id=351 |archiv-datum=2012-02-27 |offline=ja }}</ref><ref>{{Literatur |Autor=B. Aubert u. a. (BaBar Collaboration) |Titel=Observation of a broad structure in the π+π−J/ψ mass spectrum around 4.26 GeV/c2 |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 ==
* [[Bogdan Povh]] u. a.: ''Teilchen und Kerne.'' 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Quarkonium| ]]

Quarkonium - Versionsgeschichte

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