Mesonen-Zoo

Meine kleine Serie über das Quarkmodell der Elementarteilchen möchte ich heute mit einer Zoologie der Mesonen fortsetzen. Im Beitrag zum vierten Meson bin ich stillschweigend davon ausgegangen, dass uns nur das Upquark und das Downquark interessieren. Nun möchte ich die anderen hinzunehmen.

Die Mesonen aus Up- und Downquark

Gäbe es nur Up- und Downquark mit ihren Antiteilchen, so hätten wir es mit vier einfache Mesonen zu tun. Drei Pi-Mesonen und ein Eta-Meson.

Im Bild rechts habe ich einmal die Mesonen tabelliert, die ich im Beitrag das vierte Meson und das neunte Gluon beschrieben habe. In der obersten Reihe stehen die beiden Quarks. Das Upquark als u dargestellt, das Downquark als d. Schräg darunter habe ich ihre elektrischen Ladungen notiert. Zweidrittel positiv für das Up-, ein Drittel negativ für das Downquark. In der linken Spalte sind die dazugehörigen Antiquarks eingetragen, jeweils durch einen Strich drüber markiert. Ihre Ladungen sind genau entgegengesetzt.

Wie ich im letzten Artikel dargestellt habe, heißen die Mesonen, die aus je einem Quark und einem Antiquark bestehen, Pionen oder Eta-Mesonen. Es gibt in diesem Bild genau drei Pionen das positive, das negative und das neutrale. Es gibt außerdem ein Eta-Meson. Eta-Meson und neutrales Pion sind im selben Feld, denn beide sind Überlagerungen aus den Verbindungen von Up- und Antiup-Quark und Down- und Antidown-Quark. Das Eta-Teilchen ist die symmetrische, das Pion ist antisymmetrische Überlagerung.

Mesonen aus den drei leichten Quarks

Mit dem Strangequark kommt ein weiteres Eta-Meson und vier K-Mesonen hinzu.

Nun gibt es, wie ich schon im Artikel 36 Quarks und 8 Gluonen geschrieben habe, viel mehr als nur diese vier Sorten Quarks. Im linken Bild habe ich das Strangequark und sein Antiquark hinzugenommen. Kombiniert mit den schon vorhandenen Quarks und Antiquarks, ergeben sich vier weitere geladene Mesonen, die K-Mesonen oder Kaonen. Geladen? Offensichtlich sind das K+ und das K geladen, aber es gibt auch zwei elektrisch neutrale Kaonen. Auch diese Teilchen sind aus Sicht der Starken Kernkraft geladen, denn sie enthalten eine Eigenschaft, die als Strangeness bezeichnet wird. Die ein Strangequark enthaltenen Mesonen haben negative Strangeness; Mesonen mit Anti-Strangequark haben positive Strangeness.

Zusätzlich kommt ein weiteres ungeladenes Meson, das Eta-Strich-Meson hinzu. Auch hier müssen die Kästchen verbunden bleiben, denn beide Eta-Mesonen sind Überlagerungen, die Anteile von Up-Antiup, Down-Antidown und Strange-Antistrange enthalten. Das Pi-Meson enthält nur Anteile von Up-Antiup und Down-Antidown und keinen von Strange-Antistrange.

Wenn alles schön Symmetrisch wäre, müsste eines der Eta-Mesonen eine völlig symmetrische Überlagerung aller drei Anteile sein. Das andere müsste zwei Strange-Anteile auf je ein Up und Down haben. Aber Strangequark und Antistrangequark sind deutlich schwerer als Up und Down und deshalb ist die Symmetrie gebrochen. Die Strange-Beimischung ist bei keinem der Etas symmetrisch. Quarks mit Strangeness sind immerhin 15 bis 50 mal schwerer als Up- und Downquark. Sie sind aber leichter als das leichteste Meson und machen nur knapp ein Fünftel der Eta-Masse, ein Neuntel der Eta-Strich-Masse aus.

Alle pseudoskalaren Mesonen

Mesonen mit Charm werden als D-Mesonen, solche mit Bottomness als B-Mesonen bezeichnet. Außerdem kommen mit Charm- und Bottomquark zwei Eta-Mesonen hinzu.

Während das Strangequark noch mit einer gewissen Berechtigung zu den leichten Quarks gezählt werden kann, ist das nächst schwerere Quark, das Charmquark schon ein ziemlicher Brocken. Es ist neunmal schwerer als ein Pion, gut doppelt so schwer wie das Eta-Meson und sogar schwerer als ein ganzes Wasserstoff-Atom. Das fünfte Quark, das Bottomquark, ist nochmal mehr als dreimal so schwer. Schwerer als ein Helium-Atom. Nimmt man diese beiden Quarks und ihre Antiquarks in die Tabelle auf, wie ich das rechts im Bild getan habe, so kann man die entsprechenden Eta-Mesonen mit Fug und Recht in einzelne Kästchen zeichnen. Die beiden richtig schweren Quarks mischen nicht mit den drei leichten. Die Symmetrie ist ernsthaft gebrochen.

Den Mesonen-Zoo vervollständigen sechs Charm-geladene D-Mesonen und acht Bottom-geladene B-Mesonen1 Wir haben es hier insgesamt mit 25 Mesonenarten zu tun. Zwanzig geladene und fünf ungeladene. Ein wirklich neutrales Meson, also eine vollständig symmetrische Mischung, gibt es nicht.

Wer sich ein bisschen mit Elementarteilchenphysik auskennt, der oder die wird in meiner Tabelle vielleicht das Topquark vermissen. Topquarks wurden an den Teilchenbeschleunigern Tevatron und LHC beobachtet und sind fast 41 mal so schwer wie ein Bottom-Quark. So schwer wie ein Seltenerd-Atom.2 Top- und Antitopquark kommen in meiner Tabelle nicht vor, weil sie keine stabilen Mesonen bilden. Sie sind so schwer, dass sie nach ihrer Erzeugung zerfallen, bevor sie zu Mesonen-Zuständen kondensieren können.

Eine Tabelle von Mesonen aus den drei leichten Quarks

Mesonen sind nicht nur dadurch definiert, aus welchen Quarks sie bestehen. Auch die Bewegungszustände der Quarks in den Mesonen haben Einfluss.
Aus J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012)

Die von mir gezeichete Tabelle zweigt bei weitem nicht alle Mesonen. Es handelt sich nur um die Grundtzustände der Kombinationen aus je einem Quark und einem Antiquark. In diesen Zuständen zeigen die Spins der beiden Teilchen in entgegengesetzte Richtungen und sie haben keinen Bahndrehimpuls. Wie ein Atom ein gebundener Zustand aus Atomkern und Elektron(en) ist, so sind Mesonen gebundene Zustände aus Quark uns Antiquark. Mesonen kommen genau wie Atome in verschiedenen Anregungszuständen vor. Unter Berücksichtigung solcher Anregungen erhalten wir erheblich mehr mögliche Mesonenzustände.

Links habe ich eine Tabelle kopiert, die alle Mesonen aus den drei leichten Quarks enthält. Die ganz linke Spalte zeigt die Analogie zum Atommodell und die in der Teilchenphysik übliche Bezeichnung. Die zweite Spalte enthält die drei Pi-Mesonen und alle Varianten hiervon. Jeder Eintrag in dieser Spalte kommt in drei Ladungszuständen vor. Die zweite Spalte zeigt die vier K-Mesonen und ihre Varianten. Dieser Spalte ist viermal zu nehmen. Die beiden anderen Spalten zeigen je das Eta- und das Eta-Strich-Meson mit ihren Varianten.

Der Mesonen-Zoo ist also groß. Er kann schnell unübersichtlich werden.

Anmerkungen:
1. .Zu den D-Mesonen zählen auch solche, die neben Charm auch Strangeness enthalten und auch unter den B-Mesonen gibt es welchen mit Charm und Strangeness.
2. Ein Topquark ist sogar schwerer als das Higgs-Boson. Das Higgs-Boson hat eine Masse von 125 Gigaelektronenvolt, das Topquark liegt bei 172 Gigaelektronenvolt.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

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