Meson


Meson

Mesonen (von griechisch: τὸ μέσον (tó méson) „das in der Mitte Befindliche“; deutet auf seine mittelschwere Masse hin) sind instabile subatomare Teilchen. Aufgebaut aus einem Quark-Antiquark-Paar, bilden sie eine der zwei Gruppen von Hadronen. Von der zweiten Hadronengruppe, den Baryonen, unterscheiden sich Mesonen durch ihren ganzzahligen Spin; sie sind somit Bosonen.

Mesonen entstehen in hochenergetischen Teilchenkollisionen (z. B. in der kosmischen Strahlung oder in Teilchenbeschleuniger-Experimenten) und zerfallen in Sekundenbruchteilen. Sie werden nach der Art der enthaltenen Quarks, ihrem Spin und ihrer Parität klassifiziert. Mittels ihrer Quarks nehmen Mesonen an der starken und schwachen Wechselwirkung teil; elektrisch geladene Mesonen unterliegen zusätzlich der elektromagnetischen Wechselwirkung.

Eigenschaften

Das Quarkmodell erlaubt eine konsistente Beschreibung aller beobachteten Mesonen als Bindungszustand eines Quarks mit dem Antiteilchen eines Quarks (Antiquark). Als zusammengesetzte Teilchen sind Mesonen somit keine fundamentalen Elementarteilchen. Formal lassen sich aus den sechs bekannten Quarks und den sechs entsprechenden Antiquarks genau 36 Kombinationen bilden; innerhalb dieser Kombinationen findet man das Antiteilchen zu einem gegebenen Meson, wenn man das Quark durch sein entsprechendes Antiquark, und das Antiquark durch sein Quark ersetzt.

Mesonen werden durch folgende Quantenzahlen gekennzeichnet:

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

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

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

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

Mesonen haben einen ganzzahligen (Gesamt-)Spin, die leichtesten J=0 (skalare oder pseudoskalare Mesonen) oder J=1 (Vektormesonen oder Pseudovektor-Mesonen). Dies lässt sich im Quarkmodell damit erklären, dass die beiden Quarks, die ein Meson bilden, jeweils einen Spin von 1/2 haben und ihre Spins antiparallel oder parallel stehen können:

Typen von Mesonen[1]
Spin
S
JPC [1] Gesamtdrehimpuls
J
Parität
P
Bahndrehimpuls
L
C-Parität
C
1 Skalar-Meson 0+(+) 0 + 1 +
0 pseudoskalares Meson 0−(+) 0 0 +
0 Pseudovektor-Meson 1+ − 1 + 1
1 Vektor-Meson 1−(−) 1 0
1 Tensor-Meson 2+(+) 2 + 1 +

Anmerkungen:

[1] Wo die C-Parität eingeklammert ist, wird sie zur Charakterisierung des Mesontyps nicht benötigt; z.B. gibt es kein Meson mit JPC = 0+−.

Zusätzlich können alle leichten Mesonen auch innere Anregungszustände besitzen, die durch einen Bahndrehimpuls > 0 beschrieben werden, sowie radiale Anregungen. Hierdurch steigt ihre Energie an, so dass sie andere Eigenschaften (Spin, Zerfallsprodukte, …) als die Mesonen im Grundzustand besitzen.

Alle Mesonen sind instabil. Sie zerfallen in leichtere Hadronen (meist andere leichtere Mesonen) und/oder in Leptonen. Mesonen ohne Ladung und Flavor-Quantenzahlen können auch elektromagnetisch in Photonen zerfallen.

Multipletts

Da es sechs verschiedene Quark-Flavours gibt, kann man 6·6 = 36 unterschiedliche Flavour-Antiflavour-Kombinationen erwarten (wenn man Meson und Antimeson jeweils nur insgesamt einmal zählt). Daraus ergeben sich theoretisch jeweils 36 Mesonen für jede Kombination aus Spin-Orientierung (parallel, antiparallel), Bahndrehimpuls und radialer Anregung.

In der Praxis ergeben sich deutliche Einschränkungen: Mesonzustände mit höherer Energie sind schwerer zu erzeugen, kurzlebiger und schwieriger spektroskopisch zu trennen. Daher ist die Zahl bekannter Mesonen beschränkt.

pseudoskalare Mesonen (Spin = 0)
Vektormesonen (Spin = 1)

Verkompliziert wird dieses Bild durch die Quantenmechanik. Die drei leichteren Quarks u, d und s unterscheiden sich in ihren Massen nicht allzu sehr. Daher bilden sie in bestimmten Fällen Überlagerungszustände mehrerer Quark-Antiquark-Paare: das neutrale Pion (π-Meson) etwa ist eine Mischung aus einem uu- mit einem dd-Zustand (Antiquarks sind überstrichen). Die 3·3 = 9 Mesonen aus den drei leichteren Quarks müssen daher in ihrer Gesamtheit betrachtet werden.

Betrachtet man die niedrigsten Zustände (Bahndrehimpuls $ L=0 \Rightarrow J=S $; keine radiale Anregung), so bilden sich je nach Spinkopplung Nonetts aus pseudoskaleren Mesonen (JP = 0) und Vektormesonen (JP = 1). Jeweils drei dieser Mesonen haben Ladung Q = 0 und Strangeness S = 0 und sind quantenmechanische Mischungen aus uu, dd und ss.

Die Massen der schweren c- und b-Quarks sind deutlich verschieden, daher kann man hier die Mesonen getrennt betrachten. Das t-Quark wiederum ist extrem schwer und zerfällt, bevor es gebundene Zustände mit anderen Quarks bilden kann.

Weitere Mesonen sind bekannt, die sich als höher angeregte Quark-Antiquark-Zustände deuten lassen. Die Zuordnung ist allerdings nicht immer einfach und eindeutig, zumal auch hier wieder quantenmechanische Mischungen auftreten können.

Namensgebung

Ausgehend von beobachteten Eigenschaften der Atomkerne postulierte Hideki Yukawa im Jahre 1935 eine Teilchenart, die die Anziehung zwischen Protonen und Neutronen im Atomkern vermitteln sollte (Yukawa-Potential)[2]. Weil die vorhergesagte Masse des Teilchens zwischen den Massen des Elektrons und des Protons lag, benannte er es nach dem griechischen Wort μέσος mésos ‚mitten‘, ‚in der Mitte‘, ‚mittlerer‘.[3] Nach der Entdeckung des ersten Mesons, des Pions, im Jahre 1947 durch Cecil Powell[4] wurde Yukawa im Jahre 1949 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Bis etwa in die 1960er Jahre wurde das Pion noch als Pi-Meson bezeichnet. Das schon vorher entdeckte Myon, dessen Masse ebenfalls zwischen Elektronen- und Protonenmasse liegt, war zunächst für das Yukawa-Teilchen gehalten worden und wurde My-Meson genannt. Spätere Experimente zeigten jedoch, dass das Myon nicht der starken Wechselwirkung unterliegt. Erst allmählich wandelte sich die Wortbedeutung von Meson in die heutige, oben angegebene Definition.

In den folgenden Jahrzehnten wurden weitere Mesonen entdeckt, deren Massen teilweise auch oberhalb der des Protons liegen. Ihre Namensgebung blieb unsystematisch, bis eine umfassende Theorie (Quarkmodell, Quantenchromodynamik) formuliert wurde, die die Beziehungen zwischen den Mesonen erklärt. Im Artikel werden die seit 1988 gebräuchlichen Namen verwendet.

Mesonen ohne Flavour-Quantenzahl

Mesonen ohne Flavour-Quantenzahl bestehen entweder nur aus u- und d-Quarks oder sind Zustände aus einem Quark und dessen eigenem Antiquark, ein sogenanntes Quarkonium (ss, cc, bb, tt). Für diese Mesonen gilt folgende Nomenklatur:

JPC 2S+1LJ ud, (uu−dd), du

(Isospin 1)

Mischung aus (uu+dd)

mit ss (Isospin 0)

cc bb tt[1]
1−−, 2−−, 3−−, … 3(L gerade)J ρ ω, φ ψ[2] 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

Anmerkungen:

[1] Die tt-Mesonen sind hypothetisch.
[2] Der 1− −-Grundzustand von cc heißt aus historischen Gründen nicht ψ, sondern J/ψ.
  • Zur Unterscheidung von Mesonen mit gleichen Quantenzahlen wird die Masse in MeV/c2 angegeben, z. B. ψ(3770).
  • Für die aus schweren Quarks (c, b, t) gebildeten Quarkonia wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung angegeben – z. B. ψ(2S), sowie J als weiterer Index – z. B. χc1(1P). (Näheres siehe Quarkonium.)
  • Beim niedrigsten Zustand kann man diese Angaben weglassen – also φ = φ(1020) und ηc = ηc(1S).

Mesonen mit Flavour-Quantenzahl

Mesonen mit Flavour-Quantenzahl sind Quark-Antiquark-Kombinationen, bei denen das eine (Anti-)Quark ein s, c, b oder t ist und das andere nicht dessen Antiteilchen ist. Für diese Mesonen gilt folgende Nomenklatur:[5]

(gelb: Antimesonen)
Antiquark →
Quark ↓
down up strange charm bottom top
down [1] K0 D B0 T
up [1] K+ D0 B+ T0
strange K0 K Ds Bs0 Ts
charm D+ D0 Ds+ Bc+ Tc0
bottom B0 B Bs0 Bc Tb
top T + T0 Ts+ Tc0 Tb+

Anmerkungen:

[1] Im Sinne dieser Nomenklatur wird die Komponente I 3 des Isospins nicht als Flavour-Quantenzahl betrachtet. Daher folgen die geladenen Pion-ähnlichen Mesonen π±, a±, b± und ρ± den Regeln für Mesonen ohne Flavour, auch wenn sie eigentlich nicht Flavour-los sind.
  • Der Kennbuchstabe des Mesons richtet sich nach dem schwereren (Anti-)Quark: Je nachdem dieses ein s, c, b oder (hypothetisch) ein t ist, heißt das Meson K, D, B oder T.
  • Wenn das leichtere (Anti-)Quark kein u oder d ist, gibt man es zusätzlich als unteren Index an. Beispiel: Die Kombination cs ist ein Ds-Meson.
  • Die elektrische Ladung Q wird als oberer Index angegeben, wenn sie sich nicht eindeutig aus anderen Angaben ergibt.
  • Wenn das schwerere (Anti-)Quark positiv geladen ist (also ein s, c, b oder t ist) handelt es sich um ein Meson; ansonsten (also wenn das schwerere (Anti-)Quark ein s, c, b oder t ist) um ein Antimeson. Beispiel: das K0 hat die Zusammensetzung sd; das K0 die Zusammensetzung sd.
  • Mesonen mit geradzahligem Gesamtpin und positiver Parität (JP = 0+, 2+, ...) oder ungeradzahligem Gesamtspin und negativer Parität (JP = 1, 3, ...), d.h. alle Mesonen mit Spin S = 1, werden zusätzlich mit einem * bezeichnet.
  • Zur weiteren Unterscheidung wird die Masse (in MeV/c2) in Klammern angegeben. Bei den leichtesten Mesonen (Grundzustand) kann dies entfallen.

Liste einiger Mesonen

Derzeit (Particle Data Group, Zusammenstellung von 2006) sind 104 Mesonen bekannt; für weitere 54 Mesonen gibt es Indizien (We do not regard the other entries as established). Die folgende Liste gibt eine Auswahl der wichtigsten Mesonen (langlebige, Grundzustände):

Name Symbol Quarks Masse/(MeV/c²) Lebensdauer/s
Pseudoskalare Mesonen aus d, u und s Quarks
Pion π+, π ud, ud 139,6 2,6 · 10−8
Pion π0 (uu − dd) 135,0 8,4 · 10−17
Kaon K+, K us, su 493,7 1,2 · 10−8
Kaon KS0 (ds − sd) 497,6 9,0 · 10−11
Kaon KL0 (ds + sd) 497,6 5,1 · 10−8
η-Meson η (uu + dd − 2 ss) 547,9 5 · 10−19
η′-Meson η′ (uu + dd + ss) 957,8 3 · 10−21
Vektormesonen aus d, u und s Quarks
ρ-Meson ρ+, ρ ud, ud 770 4 · 10−24
ρ-Meson ρ0 (uu − dd) 775,5 4 · 10−24
Kaon K*+, K*− us, su 891,7 1,3 · 10−23
Kaon K*0, K*0 ds, sd 896,0 1,3 · 10−23
ω-Meson ω (uu + dd) 782,6 7 · 10−22
φ-Meson φ ss 1019,5 2 · 10−22
Weitere Mesonen
D-Meson D+, D cd, cd 1869,6 10,4 · 10−13
D-Meson D0, D0 cu, cu 1864,8 4,1 · 10−13
Ds-Meson Ds+, Ds cs, cs 1968,5 5,0 · 10−13
J/ψ-Meson J/ψ cc 3096,9 8 · 10−19
B-Meson B+, B ub, ub 5279,2 1,6 · 10−12
B-Meson B0, B0 bd, bd 5279,5 1,5 · 10−12
Υ-Meson Υ bb 9460,3 1,3 · 10−20

Antiquarks und Antiteilchen sind überstrichen dargestellt.

Einzelnachweise

  1. W.E. Burcham, M. Jobes (1995)
  2.  Hideki Yukawa: On the Interaction of Elementary Particles. I. In: Proc. Phys.-Math. Soc. Japan. 17, 1935, S. 48–57.
  3. Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965.
  4.  C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini, C. F. Powell: Processes Involving Charged Mesons. In: Nature. 159, 1947, S. 694–697, doi:doi:10.1038/159694a0.
  5. C. Amsler et al. (2008): Naming scheme for hadrons

Weblinks