Quarkonium

Als Quarkonium (pl. Quarkonia) bezeichnet man gebundene Zustände aus einemQuark und dem dazugehörigen Antiquark. Als solche sie Mesonen ohne elektrische Ladung und Flavor.

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. Da das top-Quark aufgrund seiner hohen Masse sehr kurzlebig ist, dürfte Erzeugung und Nachweis auch extrem schwierig sein.

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 (= 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 für L). Ein 1³P_{1 Charmonium entspricht also einem 2³p_{1 Positronium.}}

Quantenzahlen

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

Namen der Mesonen

Für die Mesonen, die aus diesen Zuständen gebildet werden, gilt die folgende Nomenklatur:

J^PC	^2S+1L_J	cc-Meson	bb-Meson	tt-Meson
1^--, 2^--, 3^--, ...	³(L gerade)_J	ψ	Υ	θ
0^-+, 2^-+, 4^-+, ...	¹(L gerade)_J	η_c	η_b	η_t
0⁺⁺, 1⁺⁺, 2⁺⁺, ...	³(L ungerade)_J	χ_c	χ_b	χ_t
1^+-, 3^+-, 5^+-, ...	¹(L ungerade)_J	h_c	h_b	h_t

wo bekannt, wird die spektroskopische Bezeichnung angegeben - z.B. ψ(2S) sowie J als weiterer Index - z.B. η_c1(1P). Letzteres ist bei S=0 nicht nötig, weil dann J=L.
wenn eine Zuordnung mangels Daten nicht möglich ist, wird zur Näheren Bezeichung die Masse in MeV/c² angegeben, z.B. ψ(3770).
Der 1^{---Grundzustand heißt nicht ψ sondern J/ψ.}
Die tt-Mesonen sind, wie gesagt, hypothetisch.
Die h_c,b,t-Mesonen sind ebenfalls noch nicht nachgewiesen worden.

Leichte Quarks

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks (u, d, s) bezeichnet man üblicherweise nicht als Quarkonia. Aufgrund ihrer geringen Massendifferenz können sie sich quantenmechanisch mischen.

Literatur

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