Meson

Als Mesonen (von gr. μεσος (mesos) = Mitte) wird eine Klasse von Elementarteilchen in der Teilchenphysik bezeichnet. Mesonen sind aufgrund ihres ganzzahligen Spins Bosonen und gehören zur Klasse der Hadronen, da sie der Starken Wechselwirkung unterworfen sind.

Der Begriff wurde in den 1930er Jahren geprägt, als die Erkenntnisse noch nicht sehr umfangreich waren. Er stand zunächst für Teilchen mittlerer Masse, im Gegensatz zu den leichten Leptonen wie dem Elektron und den schweren Baryonen wie dem Proton oder dem Neutron. Das Kriterium der Masse erwies sich jedoch schnell als unzureichend. Tatsächlich stellte sich heraus, dass das in diesem Massebereich zuerst experimentell nachgewiesene Teilchen, das μ-Meson oder Myon, ein Lepton ist.

Nach heutigem Erkenntnisstand der Teilchenphysik sind Mesonen Teilchen, die aus jeweils einem Quark und einem Antiquark (dem Antiteilchen eines Quarks) aufgebaut sind. Mesonen unterliegen damit der starken Wechselwirkung. Da sie zusammengesetzt sind, werden sie nicht mehr wie früher als Elementarteilchen bezeichnet. Alle Mesonen sind instabil. Mesonen, die leichter sind als ein Nukleon zerfallen zwangsläufig in leichtere Mesonen, Leptonen oder in Endzustände beider Teilchenarten (semi-leptonisch).

Die Kopplung der sechs verschiedenen Quark-Flavour an die Antiquarks kann verstanden werden mit Hilfe der Gruppentheorie und der quantenmechanischen Drehimpulskopplung. Daher ist die Zahl der Meson-Grundzustände weitaus größer als die Zahl der möglichen Flavour-Antiflavour-Kombinationen, nämlich 36, die man naiv erwarten könnte.

Noneto mesônico de spin 0.png | Noneto mesônico de spin 1.png

Quarks besitzen einen Spin, so dass ein Meson aus zwei Quarks mit parallelem oder mit antiparallelem Spin bestehen kann. Erstere Mesonen werden pseudoskalare Mesonen (Spin = 0), letztere Vektormesonen (Spin = 1) genannt, und haben bei gleicher Quarkzusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften. 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 (insbesondere Zerfallsprodukte) als die Mesonen im Grundzustand besitzen.

Aus historischen Gründen sind Mesonen gleicher Quarkzusammensetzung, aber unterschiedlicher innerer Eigenschaften, oft unterschiedlich bezeichnet.

Zusätzlich müssen Quarks quantenmechanisch beschrieben werden. Daher gibt es in bestimmten Fällen Überlagerungszustände mehrerer Quark-Antiquark-Paare. Das neutrale Pion (Pi-Meson) etwa ist eine Mischung aus einem uu mit einem dd Zustand (Antiquarks sind überstrichen).

Ein in der Elementarteilchenphysik besonders wichtiges Meson ist das Kaon, welches neben den bislang besprochenen Eigenschaften zusätzlich noch in einer als kurzlebig (K_S) und langlebig (K_L) bezeichneten Form vorkommt. Die unterschiedlichen Zerfallszeiten der neutralen Kaonen und auch die der B-Mesonen stehen im Zusammenhang mit der so genannten CP-Verletzung.

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	8,3 · 10⁻¹⁷	-	Kaon	K⁺, K⁻	us, su	493,7	1,2 · 10⁻⁸	-	Kaon	K_S⁰	(ds − sd)	497,7	9 · 10⁻¹¹	-	Kaon	K_L⁰	(ds + sd)	497,7	5,2 · 10⁻⁸	-	Eta	η⁰	(uu − dd)	548.8	< 10⁻¹⁸	-	Eta'	η^'0	ss	958	3 · 10⁻²¹	-	Vektormesonen aus d, u und s Quarks					-	Rho	ρ⁺, ρ⁻	ud, ud	770	4 · 10^-24	-	Rho	ρ⁰	(uu − dd)	770	4 · 10⁻²⁴	-	Kaon	K^+, K^−	us, su	493,7	1,2 · 10⁻⁸	-	Kaon	K_S^*0	(ds + sd)	497,7	9 · 10⁻¹¹	-	Kaon	K_L^*0	(ds − sd)	497,7	5,2 · 10⁻⁸	-	Omega	ω⁰	(uu + dd)	782,6	7 · 10⁻²²	-	Phi	Φ^'0	ss	1020	2 · 10⁻²²	-	Die übrigen Mesonen					-	D-Meson	D⁺, D⁻	cd, cd	1869,4	10,4 · 10⁻¹³	-	D-Meson	D⁰, D⁰	cu, cu	1864,6	4,1 · 10⁻¹³	-	D_s-Meson	D_s⁺, D_s⁻	cs, cs	1968,3	4,9 · 10⁻¹³	-	J/Psi	J/Ψ	cc	3096,9	8 · 10⁻¹⁹	-	B-Meson	B⁺, B⁻	ub, ub	5270,8	1,4 · 10⁻¹²	-	B-Meson	B⁰, B⁰	bd, bd	5274,2	1,4 · 10⁻¹²	-	Ypsilon	Y	bb	9460,4	1,3 · 10⁻²⁰	-	Y(3940)	k.A.	cc-gluon	3940	k.A.

Antiquarks und Antiteilchen sind überstrichen dargestellt.

Weblinks

Mesonen und andere Elementarteilchen betreffende Messwerte werden von der Particle Data Group gesammelt und analysiert (engl.)

Elementarteilchen | Quantenphysik

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