Quarkonium

In der Teilchenphysik bezeichnet man mit Quarkonium (Plural: Quarkonia) die gebundenen Zustände aus einem Quark und dem dazugehörigen Antiquark. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei um Mesonen ohne elektrische Ladung und Flavour.

Gebundene cc-Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) nennt man auch Charmonium, gebundene bb-Zustände nennt man Bottomonium. Das hypothetische tt-System nennt man Toponium. Das Top-Quark ist aufgrund seiner hohen Masse extrem kurzlebig. Es wird vermutet, dass die Formationszeit eines gebundenen tt-Zustandes länger ist als die Lebenszeit des t-Quarks, daher ist ein Nachweis eines Toponiums extrem schwierig bis unmöglich.

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (u, d, s) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch – vor allem uu und dd. Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer Quarksorte zuordenbar.

Nomenklatur

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 die Quantenzahlen n (Hauptquantenzahl), L (Bahndrehimpuls), S (Koppelung der Quarkspins) und J (Gesamtdrehimpuls) in der Nomenklatur n^2S+1L_J, wobei L=0,1,2,3,4,5… durch die Buchstaben S,P,D,F,G,H,… gekennzeichnet ist.

Die niedrigsten Zustände von Charmonium sind 1³S₁, das J/ψ-Meson, und 1¹S₀ (= η_c-Meson).

Die niedrigsten Zustände von Bottomonium sind 1³S₁, Υ-Meson, und 1¹S₀ (= η_b-Meson).

Man beachte den Unterschied in der Namensgebung: Während man beim Quarkonium die Nomenklatur der Atomkerne verwendet, nach der die Hauptquantenzahl n = N + 1 ist, wobei N die Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion ist, gilt bei Positronium die Nomenklatur aus der Atomphysik mit n = N + l + 1 (und klein geschriebenem Buchstaben l für den Bahndrehimpuls L). Ein 1³P₁ Charmonium entspricht also einem 2³p₁ Positronium.

Quantenzahlen

Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls J die Parität P und die Ladungskonjugation C. Wegen P = ( − 1)^{L + 1} und C = ( − 1)^{L + S} lassen sich daraus L und S ableiten.

Namen der Mesonen

Für die Mesonen, die aus diesen Zuständen gebildet werden, gilt die folgende Nomenklatur (Particle Data Group):

JPC	2S+1LJ	Mischung aus uu und dd (Isospin 1)	Mischung aus uu/dd und ss (Isospin 0)	cc	bb	tt
1−−, 2−−, 3−−, …	3(L gerade)J	ρ	ω, φ	ψ	Υ	θ
0−+, 2−+, 4−+, …	1(L gerade)J	π	η, η'	ηc	ηb	ηt
0++, 1++, 2++, …	3(L ungerade)J	a	f, f'	χc	χb	χt
1+−, 3+−, 5+−, …	1(L ungerade)J	b	h, h'	hc	hb	ht

• Für die aus schweren Quarks (c, b, t) wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung angegeben – z. B. ψ(2S) sowie J als weiterer Index – z. B. χ_c1(1P). Letzteres ist bei S=0 nicht nötig, weil dann J=L.
• Wenn eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich ist, 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; zur näheren Bezeichnung wird die Masse in MeV/c² angegeben.
• Beim niedrigsten Zustand kann man diese Angaben weglassen – also φ = φ(1020) und η_c = η_c(1S).
• Der 1⁻⁻-Grundzustand von cc heißt aus historischen Gründen nicht ψ sondern J/ψ.
• Die tt-Mesonen sind, wie gesagt, hypothetisch.

Literatur

• Bogdan Povh et al.: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer-Verlag GmbH, 2004, ISBN 3-540-21065-2