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J/ψ

Klassifikation
Boson
Hadron
Meson
Eigenschaften [1]
elektrische Ladung neutral
Ruheenergie 3096,900(6) MeV
SpinParität 1
Isospin 0 (z-Komponente 0)
mittlere Lebensdauer 7,09(21) · 10−21 s
Zerfallsbreite 0,0929(28) MeV
Wechselwirkungen stark
schwach
elektromagnetisch
Gravitation
Quark-
Zusammensetzung
1 Charm und 1 Anti-Charm

Das J/ψ (auch Psion genannt) ist ein Meson. Seine Entdeckung im Jahr 1974 war von großer Bedeutung, weil damit die Existenz eines vierten Quarks, des Charm-Quarks, nachgewiesen war.

EigenschaftenBearbeiten

Das J/ψ ist ein gebundener Zustand aus einem Charm-Quark   und einem Anti-Charm-Quark  , d. h. es ist ein Charmonium. Alle seine Flavour-Quantenzahlen sind daher null. Das J/ψ ist das langlebigste und zuerst entdeckte Charmonium. Es hat eine Masse von 3097 MeV/c2 und eine Zerfallsbreite von 92,9 keV/c2, was einer Lebensdauer von 10−20 s entspricht. Seine Quantenzahlen sind  .

Das J/ψ zerfällt zu 87,7 % über die starke oder die elektromagnetische Wechselwirkung in Hadronen. Der gesamte elektromagnetische Anteil von 25,4 % verteilt sich auf 13,5 % hadronische Endzustände und jeweils 6 % leptonische Endzustände mit 2 Myonen bzw. 2 Elektronen.[1]

Für ein derart schweres Meson ist es sehr ungewöhnlich, dass die Zerfallsbreite so gering ist und dass der elektromagnetische Zerfall mit dem starken konkurrieren kann. Dies liegt daran, dass der übliche Weg des Zerfalls schwerer Mesonen durch Anlagerung eines leichten Quark-Antiquark-Paares aus energetischen Gründen nicht möglich ist und dass die Annihilation von c und c über die starke Wechselwirkung aus Gründen der Paritätserhaltung mindestens drei Gluonen erfordert und daher nach der OZI-Regel unterdrückt ist.[2]

ForschungsgeschichteBearbeiten

Das J/ψ wurde 1974 fast gleichzeitig von zwei Gruppen entdeckt, die es J bzw. ψ nannten – daher rührt der eigentümliche Doppelname. Die eine Gruppe unter Burton Richter entdeckte es am Stanford Linear Accelerator Center,[3] die andere Gruppe unter Samuel Chao Chung Ting am Brookhaven National Laboratory.[4] Richter und Ting stellten ihre Ergebnisse gemeinsam in einer Pressekonferenz am 11. November 1974 der Öffentlichkeit vor.[5] Die beiden Wissenschaftler wurden für die Entdeckung dieses Teilchens 1976 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die Entdeckung des J/ψ war eine Sensation, weil seine Breite (Energieunschärfe) nur knapp ein 1000stel der anderer Mesonen in diesem Energiebereich beträgt und seine Lebensdauer (nach der Energie-Zeit-Unschärferelation) also gut 1000-mal so lang ist.

Zu diesem Zeitpunkt kannte das Quarkmodell nur drei Quarks (u, d, s); die einzig plausible Erklärung für ein so langlebiges Meson war ein neues, viertes Quark. Dieses „Charm“-Quark war bereits theoretisch vorhergesagt worden, und mit dem J/ψ konnte seine Existenz als gesichert gelten. Die Entdeckung des J/ψ löste somit die sogenannte „Novemberrevolution“ der Teilchenphysik aus, in deren Folge weitere Mesonen und Baryonen mit Charm-Quantenzahl entdeckt wurden.

Am Cornell-Elektron-Positron-Speicher-Ring (CESR) der Cornell University gibt es einen speziell auf die Massenproduktion von Charmonium abgestimmten Teilchenbeschleuniger, im derzeit laufenden Experiment CLEO-c werden die Eigenschaften dieser Teilchen (und ihrer Zerfallsprodukte) studiert.

Ein Ziel der Charmonium-Forschung liegt in der Erforschung des immer noch nicht genau bekannten Potentialverlaufs der starken Wechselwirkung. Vom Standpunkt der Coulomb-Kraft her ähnelt das Charmonium bis auf abweichende Ladungen und Massen dem theoretisch sehr gut verstandenen Positronium. Das Potential der Wechselwirkung wird aus Emissions- und Absorptionsspektren der Übergänge zwischen angeregten Zuständen des Charmoniums berechnet. Nach Abzug des Coulomb-Potentials bleibt so das Potential der Starken Wechselwirkung übrig und kann parametrisiert werden. Im einfachsten Fall erhält man so für das Quark-Antiquark-Potential ein coulombartiges Potential für kleine Reichweiten und ein lineares Potential für größere Entfernungen.

TriviaBearbeiten

Samuel Ting, der für das Teilchen den Namen „J“ propagierte, ist chinesischer Abstammung. Sein Familienname („Dīng“ in Pinyin-Umschrift) wird mit dem Schriftzeichen 丁 geschrieben, das einem „J“ sehr ähnlich sieht. Ting hat also seine Entdeckung möglicherweise nach sich selbst benannt.

Siehe auchBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: C. Patrignani et al. (Particle Data Group): 2017 Review of Particle Physics. In: Chin. Phys. C, 40, 100001 (2016) und 2017 update. Particle Data Group, abgerufen am 22. Mai 2018 (englisch).
  2. Bogdan Povh et al.: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer-Verlag GmbH, 2004, ISBN 3-540-21065-2
  3. SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a Narrow Resonance in e+e Annihilation. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1406–1408 (online)
  4. E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1404–1406 (online)
  5. The Nobel Prize in Physics 1976 Press release. NobelPrize.org, 18. Oktober 1976, abgerufen am 18. September 2018 (englisch).

WeblinksBearbeiten