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In der Teilchenphysik bezeichnet man mit Quarkonium (Plural: Quarkonia) einen gebundenen Zustand aus einem Quark und seinem Antiquark. Anders ausgedrückt ist es ein Meson ohne elektrische Ladung oder Flavour.

Gebundene Zustände der schweren Quarks c {\displaystyle c} und b {\displaystyle b} haben eigene Namen: gebundene c c ¯ ¯ {\displaystyle c{\bar {c}}} -Zustände (also charm-Quark und -Antiquark) heißen Charmonium, gebundene b b ¯ ¯ {\displaystyle b{\bar {b}}} -Zustände Bottomonium. Ob sich t t ¯ ¯ {\displaystyle t{\bar {t}}} -Systeme (Toponium) bilden können, ist ungeklärt.

Gebundene Quark-Antiquark-Zustände der leichten Quarks ( u , d , s {\displaystyle u,d,s\!\,} ) mischen sich aufgrund der geringen Massendifferenz quantenmechanisch – vor allem u u ¯ ¯ {\displaystyle u{\bar {u}}} mit d d ¯ ¯ {\displaystyle d{\bar {d}}} . Daher sind die aus ihnen gebildeten Mesonen nicht einer einzelnen Quarksorte zuordenbar.

• Nomenklatur

• Quantenzahlen und spektroskopische Zustände

• Mesonen

• Nachgewiesene Quarkonia

• Toponium und andere Systeme

• Literatur

• Einzelnachweise

Der Name Quarkonium ist analog zum Positronium, bei dem ein Elektron und ein Positron zum e + e − − {\displaystyle e^{+}e^{-}\!\,} gebunden sind. Wie beim Positronium kennzeichnet man Quarkonia durch folgende Quantenzahlen:

• Hauptquantenzahl n = 1 , 2 , 3 … … {\displaystyle \,n=1,\,2\,,3\,\ldots }

• Kopplung der Quarkspins S {\displaystyle S\!\,} (Zahlenwert 0 {\displaystyle 0\!\,} oder 1 {\displaystyle 1\!\,} ) bzw. Multiplizität 2 S + 1 {\displaystyle 2S+1\!\,} (Zahlenwert 1 {\displaystyle 1\!\,} oder 3 {\displaystyle 3\!\,} )

• Bahndrehimpuls L {\displaystyle L\!\,} und

• Gesamtdrehimpuls J {\displaystyle J\!\,} (mögliche Werte J = L + S , L + S − − 1 , … … , | L − − S | {\displaystyle J=L+S,L+S-1,\dots ,|L-S|\!\,} aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung J ^ ^ = L ^ ^ + S ^ ^ {\displaystyle {\hat {J}}={\hat {L}}+{\hat {S}}} )

| Bahndreh- impuls L {\displaystyle L\!\,} | Kenn- buchstabe |

|---|---|

| 0 | S |

| 1 | P |

| 2 | D |

| 3 | F |

| 4 | G |

| 5 | H |

| 6 | I |

| 7 | K |

| … | … |

in der Nomenklatur n 2 S + 1 L J {\displaystyle n^{2S+1}L_{J}\!\,} (Termsymbol) bzw. n L {\displaystyle nL\!\,} (spektroskopische Bezeichnung), wobei der Bahndrehimpuls L {\displaystyle L\!\,} durch einen Großbuchstaben (siehe Tabelle) angegeben wird.

Man beachte folgenden Unterschied in der Namensgebung: Während bei Positronium die Nomenklatur der Atomphysik gilt mit der Hauptquantenzahl n = N + 1 + l {\displaystyle n=N+1+l\!\,} ( N {\displaystyle N\!\,} für die Zahl der Knoten der Radialwellenfunktion, klein l {\displaystyle l\!\,} für den Bahndrehimpuls), verwendet man beim Quarkonium die Nomenklatur der Kernphysik mit n = N + 1 {\displaystyle n=N+1\!\,} . Einem 23P1-Positronium entspricht also ein 13P1-Charmonium.

Beobachtbar sind neben dem Gesamtdrehimpuls J {\displaystyle J\!\,} nur:

• die Parität P = ( − − 1 ) L + 1 {\displaystyle P=(-1)^{L+1}\!\,} und

• die Ladungskonjugation C = ( − − 1 ) L + S {\displaystyle C=(-1)^{L+S}\!\,} .

Bahndrehimpuls L {\displaystyle L\!\,} und Quarkspin-Kopplung S {\displaystyle S\!\,} lassen sich daraus ableiten.

Für die aus diesen Zuständen gebildeten Mesonen gilt folgende Nomenklaturcite-ref-1[1]

| beob­achtet: J P C {\displaystyle J^{PC}\!\,} | Bahn­drehimpuls L {\displaystyle L\!\,} | gekoppel­ter Spin S {\displaystyle S\!\,} | Gesamt­drehimpuls J {\displaystyle J\!\,} | Grundzustand ( n 2 S + 1 L J {\displaystyle n^{2S+1}L_{J}\!\,} ) | Mischung aus u u ¯ {\displaystyle u{\bar {u}}} und d d ¯ {\displaystyle d{\bar {d}}} Isospin =1 | Mischung aus u u ¯ {\displaystyle u{\bar {u}}} , d d ¯ {\displaystyle d{\bar {d}}} , s s ¯ {\displaystyle s{\bar {s}}} Isospin=0 | Charm­onium c c ¯ {\displaystyle c{\bar {c}}} | Bottom­onium b b ¯ {\displaystyle b{\bar {b}}} |

|---|---|---|---|---|---|---|---|---|

| J − + {\displaystyle J^{-+}\!\,} | gerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } S, D, G, … | gerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } 0 | 0, 2, 4, … | 1 1 S 0 | Pion π {\displaystyle \pi \!\,} | η-Meson η , η ′ {\displaystyle \eta ,\eta '\!\,} | η c {\displaystyle \eta _{c}\!\,} | η b {\displaystyle \eta _{b}\!\,} |

| J − − {\displaystyle J^{--}\!\,} | gerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } S, D, G, … | ungerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } 1 | 1, 2, 3, … | 1 3 S 1 | Rho-Meson ρ {\displaystyle \rho \!\,} | Omega-Meson ω {\displaystyle \omega \!\,} , Phi-Meson ϕ {\displaystyle \phi \!\,} | ψ {\displaystyle \psi \!\,} [ Anm. 1 ] | Y-Meson Υ {\displaystyle \Upsilon \!\,} |

| J + − {\displaystyle J^{+-}\!\,} | ungerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } P, F, H, … | gerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } 0 | 1, 3, 5, … | 1 1 P 1 | b {\displaystyle b\!\,} | h , h ′ {\displaystyle h,h'\!\,} | h c {\displaystyle h_{c}\!\,} | h b {\displaystyle h_{b}\!\,} |

| J + + {\displaystyle J^{++}\!\,} | ungerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } P, F, H, … | ungerade ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } 1 | 0, 1, 2, … | 1 3 P 0 | a {\displaystyle a\!\,} | f , f ′ {\displaystyle f,f'\!\,} | χ c {\displaystyle \chi _{c}\!\,} | χ b {\displaystyle \chi _{b}\!\,} |

cite-note-21. aus historischen Gründen wird der 1−−-Grundzustand als J/ψ-Meson bezeichnet.

• Für die aus schweren Quarks ( c , b {\displaystyle c,b\!\,} ) gebildeten Mesonen wird, sofern bekannt, die spektroskopische Bezeichnung ( n L {\displaystyle nL\!\,} ) mit angegeben – z. B. ψ ψ ( 2 S ) {\displaystyle \psi (2S)\!\,} , sowie J {\displaystyle J\!\,} als weiterer Index – z. B. χ χ c 1 ( 1 P ) {\displaystyle \chi _{c1}(1P)\!\,} . Letzteres ist nicht nötig bei L = 0 {\displaystyle L=0\!\,} , weil dann J = S {\displaystyle J=S\!\,} . Ist eine spektroskopische Zuordnung mangels Daten nicht möglich, wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c2 angegeben, z. B. ψ ψ ( 3770 ) {\displaystyle \psi (3770)\!\,} .

• Für die aus leichten Quarks ( u , d , s {\displaystyle u,d,s\!\,} ) gebildeten Mesonen verwendet man die spektroskopische Bezeichnung nicht; stattdessen wird zur näheren Bezeichnung die Masse in MeV/c2 angegeben.

• Bei den niedrigsten Zuständen kann man diese Angaben weglassen – also η η c ( 1 S ) = η η c {\displaystyle \eta _{c}(1S)=\eta _{c}\!\,} und ϕ ϕ ( 1020 ) = ϕ ϕ {\displaystyle \phi (1020)=\phi \!\,} .

| J PC | Termsymbol n 2 S + 1 L J | Charmonium c c ¯ {\displaystyle c{\bar {c}}} | Charmonium c c ¯ {\displaystyle c{\bar {c}}} | Bottomonium b b ¯ {\displaystyle b{\bar {b}}} | Bottomonium b b ¯ {\displaystyle b{\bar {b}}} |

|---|---|---|---|---|---|

| J PC | Termsymbol n 2 S + 1 L J | Partikel | Masse (MeV/c 2 ) [ 2 ] | Partikel | Masse (MeV/c 2 ) [ 3 ] |

| 0 −+ | 1 1 S 0 | η c (1 S ) = η c | 2983,9 ±0,5 | η b (1 S ) = η b | 9399,0 ±2,3 |

| 0 −+ | 2 1 S 0 | η c (2 S ) = η c ' | 3637,6 ±1,2 | η b (2 S ) | |

| 2 −+ | 1 1 D 2 | η c (1 D ) † | | η b (1 D ) † | |

| 1 −− | 1 3 S 1 | J/ψ (1 S ) = J/ψ | 3096,900 ±0,006 | Υ (1 S ) = Υ | 9460,30 ±0,26 |

| 1 −− | 2 3 S 1 | ψ (2 S ) = ψ (3686) | 3686,097 ±0,025 | Υ (2 S ) | 10.023,26 ±0,31 |

| 1 −− | 3 3 S 1 | | | Υ (3 S ) | 10.355,2 ±0,5 |

| 1 −− | 4 3 S 1 | | | Υ (4 S ) = Υ (10580) | 10.579,4 ±1,2 |

| 1 −− | 5 3 S 1 | | | Υ (5 S ) = Υ (10860) | 10.889,9 ±3,2 |

| 1 −− | 6 3 S 1 | | | Υ (6 S ) = Υ (11020) | 10.992,9 ±10 |

| 1 −− | 1 3 D 1 | ψ (3770) | 3773,13 ±0,35 | | |

| 2 −− | 1 3 D 2 | ψ 2 (1 D ) = ψ 2 (3823) | 3822,2 ±1,2 | Υ 2 (1 D ) | 10.163,7 ±1,4 |

| 3 −− | 1 3 D 3 | ψ 3 (1 D ) † | | Υ 3 (1 D ) † | |

| 1 −− | ? ? ? ? | ψ (4260) = Y (4260) | 4230 ±8 | | |

| 1 +− | 1 1 P 1 | h c (1 P ) = h c | 3525,38 ±0,11 | h b (1 P ) = h b | 9899,3 ±0,8 |

| 1 +− | 2 1 P 1 | h c (2 P ) † | | h b (2 P ) | |

| 0 ++ | 1 3 P 0 | χ c 0 (1 P ) = χ c 0 | 3414,71 ±0,30 | χ b 0 (1 P ) = χ b 0 | 9859,44 ±0,52 |

| 0 ++ | 2 3 P 0 | χ c 0 (2 P ) † | | χ b 0 (2 P ) | 10.232,5 ±0,6 |

| 1 ++ | 1 3 P 1 | χ c 1 (1 P ) | 3510,67 ±0,05 | χ b 1 (1 P ) | 9892,78 ±0,40 |

| 1 ++ | 2 3 P 1 | χ c 1 (2 P ) † | | χ b 1 (2 P ) | 10.255,46 ±0,55 |

| 1 ++ | 3 3 P 1 | | | χ b 1 (3 P ) | 10.512,1 ±2,3 |

| 2 ++ | 1 3 P 2 | χ c 2 (1 P ) | 3556,17 ±0,07 | χ b 2 (1 P ) | 9912,21 ±0,40 |

| 2 ++ | 2 3 P 2 | χ c 2 (2 P ) | 3927,2 ±2,6 | χ b 2 (2 P ) | 10.268,65 ±0,55 |

| 1 + + | ? ? ? 1 | χ c 1 (3872) = X (3872) ** | 3871,69 ±0,17 | | |

vorhergesagt, aber noch nicht identifiziert.

Die Quantenzahlen des X(3872)-Teilchens sind Gegenstand aktueller Untersuchungen,

seine Identität ist nicht vollständig geklärt. Es kann sich handeln um:

• einen Kandidaten für den 11D2-Zustand;

• einen hybriden Charmonium-Zustand;

• ein D 0 D ¯ ¯ ∗ ∗ 0 {\displaystyle D^{0}{\bar {D}}^{*0}} -Molekül.

Da die Lebensdauer des Top-Quarks t {\displaystyle t} extrem kurz ist, wurde vermutet, dass sich keine t t ¯ ¯ {\displaystyle t{\bar {t}}} -Systeme (Toponium) bilden. Im Jahr 2025 wurden jedoch Messergebnisse veröffentlicht, die sich als Produktion von Toponium deuten lassen.cite-ref-6[5]

2005 veröffentlichte das BaBar-Experiment die Entdeckung des neuen Zustands Y(4260).cite-ref-7[6]cite-ref-8[7] Die Beobachtungen wurden von den Experimenten CLEO und Belle bestätigt. Zuerst wurde das neue Teilchen für ein Charmonium gehalten, aber inzwischen legen die Beobachtungen exotischere Erklärungen nahe, wie ein D-„Molekül“, ein Tetraquark oder ein hybrides Meson.

• Bogdan Povh u. a.: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2.

cite-note-11. ↑ Particle Data Group: Naming scheme for hadrons (Revised in 2017). (PDF; 86 kB) Abgerufen am 17. Februar 2018 (englisch).

cite-note-32. M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: cc̅ Mesons.

cite-note-43. M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), 2018: bb̅ Mesons.

cite-note-54. LHCb collaboration: Determination of the X(3872) meson quantum numbers. In: Physical Review Letters. Band 110, Nr. 22, Mai 2013, doi:10.1103/PhysRevLett.110.222001, arxiv:1302.6269v1.

cite-note-65. ↑ CERN Courier: CMS observes top–antitop excess, 2. April 2025.

cite-note-76. ↑ A new particle discovered by BaBar experiment. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 6. Juli 2005, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 27. Februar 2012; abgerufen am 6. März 2010.

cite-note-87. ↑ B. Aubert u. a. (BaBar Collaboration): Observation of a broad structure in the π+π−J/ψ mass spectrum around 4.26 GeV/c2. In: Physical Review Letters. Band 95, Nr. 14, 2005, S. 142001, doi:10.1103/PhysRevLett.95.142001, arxiv:hep-ex/0506081.