Meson

Mesonen 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.

Inhaltsverzeichnis

Namensgebung

Ausgehend von beobachteten Eigenschaften der Atomkerne postulierte Hideki Yukawa im Jahre 1935 eine bislang nicht beobachtete Teilchenart, die die Anziehung zwischen Protonen und Neutronen im Atomkern vermitteln sollte (Yukawa-Potential)[1]. 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‘.[2] Nach der Entdeckung des ersten Mesons, des Pions, im Jahre 1947 durch Cecil Powell[3] 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.

Eigenschaften der Mesonen

Das Quarkmodell erlaubt eine konsistente Beschreibung aller beobachteten Mesonen als Bindungszustand eines Quarks mit dem Antiteilchen eines Quarks (Antiquark). 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. Als zusammengesetzte Teilchen sind Mesonen somit keine fundamentalen Elementarteilchen.

Mesonen haben einen ganzzahligen Spin. Die leichtesten Mesonen haben den Spin J=0 (skalare oder pseudoskalare Mesonen) oder J=1 (Vektormesonen). Im Quarkmodell lässt sich dies damit erklären, dass die Quarks den Spin 1/2 haben und deren Spins antiparallel oder parallel stehen können.

Zusätzlich können alle diese Mesonen auch innere Anregungszustände besitzen, die durch ihren Bahndrehimpuls 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 beiden leichten Quarks (u, d) und das mittelschwere s-Quark unterscheiden sich in ihren Massen nicht allzu sehr. Daher gibt es 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 Mesonen aus den drei leichtesten Quarks müssen daher in ihrer Gesamtheit betrachtet werden.

Für die 3 leichtesten Quark-Flavors gibt es 3×3=9 Kombinationen. Betrachtet man die niedrigsten Zustände (Bahndrehimpuls 0, keine radiale Anregung), so bilden sich je nach Spinkopplung Nonetts aus pseudoskaleren Mesonen (JP=0-, wobei J der Spin und P die Parität ist) und Vektormesonen (JP=1-). Drei dieser Mesonen haben Ladung Q=0 und Strangeness S=0 und sind quantenmechanische Mischungen aus uu, dd und ss.

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 quantenmechanische Mischungen auftreten können.

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

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.

  • 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, 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.
  • Wenn das schwerere (Anti-)Quark positiv geladen ist (also ein s, c, b oder t ist) handelt es sich um ein Meson; ansonsten um ein Antimeson. Beispiel: Das K0 hat die Zusammensetzung sd; das K0 die Zusammensetzung sd.
  • Die elektrische Ladung Q wird angegeben, wenn sie sich nicht eindeutig aus anderen Angaben ergibt
  • Mesonen mit geradzahligem Spin und positiver Parität oder ungeradzahligem Spin und negativer Parität werden zusätzlich mit einem * bezeichnet.
  • Zur weiteren Unterscheidung wird die Masse (in MeV/c2) in Klammern angegeben. Bei den leichtesten Mesonen kann dies entfallen.

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).

Für diese Mesonen gilt die folgende Nomenklatur

JPC 2S+1LJ ud, (uu−dd), du

(Isospin 1)

Mischung aus (uu+dd)

mit 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
  • 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) 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).
  • Der 1−−-Grundzustand von cc heißt aus historischen Gründen nicht ψ sondern J/ψ.
  • Die tt-Mesonen sind hypothetisch.

Liste einiger Mesonen

Hauptartikel: Liste der 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 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. Hideki Yukawa: On the Interaction of Elementary Particles. I. In: Proc. Phys.-Math. Soc. Japan. 17, 1935, S. 48–57.
  2. Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965.
  3. 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.

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