J/ψ-Teilchen

Das J/ψ ist ein Elementarteilchen, ein Meson. Es besteht 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 Resonanzbreite von 91 keV, was einer Lebensdauer von 10⁻²⁰ s entspricht. Seine Quantenzahlen sind J^PC=1^--.

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Es 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 Muonen bzw. 2 Elektronen. ^[1] Dass der elektromagnetische Zerfall überhaupt mit dem starken konkurrieren kann, liegt daran, dass der übliche Weg des Zerfalls schwerer Mesonen durch Anlagerung eines leichten Quark-Antiquark-Paares aus energetischen Gründen nicht möglich ist. Die Annihilation von c und c über die starke Wechselwirkung geht aus Gründen der Paritätserhaltung nur durch nicht weniger als drei Gluonen und ist daher unterdrückt. Dies ist der Grund für die vergleichsweise geringe Breite.^[2]

Forschungsgeschichte

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]. Die beiden Wissenschaftler wurden für die Entdeckung dieses Teilchens 1976 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Seine Entdeckung war eine Sensation, weil seine Breite (Energieunschärfe nach der Heisenbergschen Unschärferelation) gut 1000-mal kleiner, seine Lebensdauer also gut 1000-mal länger ist, als die anderer Mesonen in diesem Energiebereich.

Zu diesem Zeitpunkt kannte das Quarkmodell nur 3 Quarks (u, d, s); die einzig plausible Erklärung für ein so langlebiges Meson war eine neues, viertes Quark. Dieses "Charm"-Quark war bereits theoretisch vorhergesagt worden, und mit dem J/ψ konnte seine Existenz als gesichert gelten.

In Cornell am CESR 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 Potentials 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 Absortionsspektren 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 coulomb-artiges Potential für kleine Reichweiten und ein lineares Potential für größere Entfernungen.

Anekdotisches

Samuel Ting, der für das Teilchen den Namen "J" propagierte, ist chinesischer Abstammung. Sein Familienname ("Dīng" in Pinyin-Umschrift) wird mit dem ähnlich aussehenden Schriftzeichen 丁 geschrieben.

Literatur

1. ↑ W.-M. Yao et al., Particle Physics Booklet, Particel Data Group, July 2007, [1]
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 Resonace in e+ e- Annhilation in Phys. Ref. Lett. 33, 1974, 1406-1408 [2]
4. ↑ E598 Collaboration (J.J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J in Phys. Rev. Lett. 33, 1974, 1404–1406