Meson

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

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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. Die Existenz von Teilchen mit einer solchen Masse wurden von Hideki Yukawa auf Grund der Theorie der Kernkräfte vorhergesagt. 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 als ein Nukleon sind, zerfallen zwangsläufig in leichtere Mesonen, Leptonen oder in Endzustände beider Teilchenarten (semi-leptonisch).

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

Quarks besitzen einen Spin, so dass ein Meson aus zwei Quarks mit antiparallelem oder mit parallelem 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 Teilchenphysik 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.

Liste einiger 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):

Antiquarks und Antiteilchen sind überstrichen dargestellt.