Quark Quartett

    • Hallo Hannes,

      Als gebundene Zustände zwischen Quarks, Antiquarks und Gluonen kommen alle in Frage, die nach außen keine starke (Farb-)ladung tragen. Dies sind, wenn man mal die Möglichkeiten durchspielt, ganz schön viele:
      1. Mesonen: q-antiq
      2. Baryonen: q-q-q
      3. Hybride: q-antiq-g und q-antiq-g-g usw.
      4. Tetraquarks: q-antiq-q-antiq
      5. Pentaquarks: q-q-q-q-antiq
      6. Gluebälle: g-g und g-g-g usw.
      7. ...

      Oft werden nur die Mesonen und Baryonen erwähnt, da man diese am besten untersuchen kann und schon sehr,sehr viele gefunden hat. Wie die Elektronen in der Atomhülle können auch hier die Quarks angeregt werden (über "Bahn-" oder "Spinanregungen"), was man eingehend untersucht. Meist bekommt dieser angeregte Zustand dann sogar einen neuen Namen. Schon seit Jahrzehnten war klar: man hat mehr Zustände gefunden, als z.B. angeregte Mesonen möglich sind. Es mussten also ein paar davon aus den Kategorien 3,4,5,6 etc. sein. Nur, leider wusste man nicht genau, welche. Siehe z.B. diesen Bonner Vortrag aus dem Jahr 2004.

      Nun schein tatsächlich das erste eindeutige Tetraquark gefunden. Mit 2 schweren Quarks darin lässt sich das einfacher feststellen. Frühere und immernoch als Tetraquark gehandelte zustände sind das f0(975) und das a0(980), die wahrscheinlich jeweils aus strange-antiup-up-antistrange bzw strange-antidown-down-antistrange bestehen, was aber nie zweifelsfrei nachgewisen werden konnte. Wenn es stimmt, dann sind dort aber wahrscheinlich paarweise K-Mesonen gebunden, es wären also Meson-Moleküle.
      Bei neuen Teilchen bei 3900 MeV scheint keine paarweise Bindung von zwei D-Mesonen (mit charm quarks) vorzuliegen, sondern ein echter 4-quark Zustand.

      Also: Endlich klarer input für die "Modellbauer", aber sicher keine Revolution, im Gegenteil: Eine lang erwartete und nicht überraschende Bestätigung der Theorie der starken Wechselwirkung (QCD) zwischen Quarks und Gluonen.
    • Lieber Hannes,

      prinzipiell in der Tat ja: wenn sie stabil wären, könnten nicht nur Meson-Moleküle, sondern auch Mesonen selber neue Elemente des periodensystems bilden. Wäre das Pion stabil, dann gäbe es z.B. eine pionische Wasserstoff-Abart, die 7 Mal leichter wäre als Wasserstoff, nämlich einen gebundenen Zustand aus einem Pion und einem Elektron.
      Leider sind alle Mesonen und alle 4-Quark Zustände instabil. Die 4-Quark zustände sogar sehr: sie zerfallen in ca 10-²³ Sekunden. Die Pionen leben immerhin (ähnlich wie die Myonen) einige (Bruchteile) von Mikrosekunden. Aber aus das reicht nicht für stabile Materie.

      es wird also nichts, mit mehr Elementen im Periodensysten. Wir müssen uns mit Protonen und Neutronen im Atomkern begnügen.

      Viele GRüße
      Michael
    • Protonen und Neutronen sind die leichtesten Teilchen, die aus drei Quarks bestehen. Alle Systeme in der Physik versuchen immer in den energetisch niegrigsten Zustand zu kommen. In der Teilchenphysik entspricht das Umwandlungen in die leichtesten Teilchen ihrer Art. Alle sog. "Baryonen" aus drei Quarks wandeln sich also - oft in mehreren Schritten - am Ende in Neutronen oder Protonen um. Wenn es dann keine weiteren Umwandlungen in andere Teilchen gibt, ist der leichteste Zustand stabil. Da sich Quarks aber nicht in Leptonen (wie Elektronen oder Neutrinos) umwandeln dürfen, ist das Proton also stabil. (Es gibt spekulative Theorien jeseits des Standardmodells, wo das doch - sehr selten - geht, was zur Folge hätte, dass das Proton auch instabil wäre, allerdings mit einer Lebenszeit von größer als 10^32 Jahren.)

      Bei Mesonen und 4-Quark-zuständen sind immer genausoviele Quarks wie Antiquarks dabei, die sich in Botenteilchen (z.B. Photonen, oder W-Teilchen) vernichten können. Daher lebt das leichteste Meson, das elektrisch geladene Pion, für die Maßstäbe der Teilchenphysik sehr lange (26 ns), ist aber instabil,weil u-Quark+d-Antiquark sich über ein W+Teilchen (meist) in ein Antimyon und ein Neutrino vernichten.

      Ah, da war noch die Frage, ob Änderungen im Kern Auswirkungen auf Chemische Eigenschaften hätten. Die Antwort ist nein, denn die Chemie ist völlig durch die Eigenschaften der Atomhülle definiert, die wiederum nur davon abhängt, was die gesamte elektrische Ladung des Kerns ist. Aus der Sicht der Atomhülle (~ Fussballfeld) sind die Details des Kerns (~Erbse am Anstoßpunkt) völlig irrelavant. Nur das spezifische Gewicht der Chemischen Elemente und ihrer Verbindungen würde sich ändern und wäre sehr flexibel. In einigen Fällen könnte man aber durch zusätzliche Hadronen (außer Protonen und Neutronen) im Kern viel schwerere Elemente als Blei auch noch stabil bekommen. In dieser hinsich würde sich dann doch einiges Neue ergeben.
    • Könnte man über energetische Fallen die Umwandlung in Protonen (und Neutronen) bzw. die Vernichtung von Quarks und Antiquarks verhindern?
      Geschieht die Annihilation von ungleichen Quarks und Antiquarks unter bestimmten Gesichtspunkten? Mir war bisher nur die Paarvernichtung bekannt.

      (Wenn ich mich richtig entsinne, dann unterscheidet sich der myonische Wasserstoff gegenüber seinem Verwandten in verschiedenen Eigenschaften, die auch entsprechende Orbitale betreffen. Bei einem schwereren Kern müsste sich doch auch eine veränderte Wechselwirkung zwischen Kern und Schale ergeben. Nun gut, die verschiedenen Isotope weisen auch keine anderen chemischen EIgenschaften auf.)
    • Lieber Hannes,

      Du scheinst ja ein Fan von sog. "exotischen" Hadronen zu sein, d.h. Teilchen aus Quarks die nicht entweder aus 3 Quarks (Baryonen) oder Quark- Antiquark (Mesonen) aufgebaut sind. Dann hab ich hier die bestätigung von 6-Quark Zuständen aus Jülich :D
      NB: all die Gesellen sind nicht wirklich unerwartet, muss es geben, sind eben ziemlich instabil und schwer nachzuweisen.

      zu deinen Fragen:
      1) was Du mit energetischen Fallen meinst, weiß ich nicht. Aber Du kannst tun, was Du willst: was sich vernichten kann, bzw. in einen energetisch niedrigeren zustand gehen kann, wird das auch tun.
      2) zur Quark-Antiquarkvernichtung:
      Jeweils die Paare up-antidown, charm-antistrange, top-antibottom können sich in ein W+ vernichten, (analog antiup-down, ..., -> W-)
      und daher "zerfällt" das pion pi+(=up-antidown) --> W+ Zwischenzustand --> mu+ myonneutrino
      "Dank" des BEH Feldes ist sogar in jedem down-artigen Quark u,d,s etwas von allen dreien hineingemischt, so dass sich auch - schwieriger, d.h. seltener, aber trotzdem - z.B. up-antistrange ebenfalls in ein W+ vernichten können. Wenn das nicht so wäre, dann wäre das K+ stabil und könnte nicht analog K+(=up-antistrange) --> W+ Zwischenzustand --> mu+ myonneutrino zerfallen. Das gäbe dann in der tat völlig neuartige materie, weil man dann neben protonen auch K+ in Kerne einbauen könnte....
      3) Hier wage ich mal eine mathematische antwort: Für die Atomhülle (allgemein für alle Bindungszustände) ist immer die so genannte "redizierte Masse" µ beider Bindungpartner relevant, die man erhält als [tex]\frac{1}{\mu} = \frac{1}{m_1} + \frac{1}{m_2}[/tex] bzw. nach aufl\"osen [tex] \mu = \frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2}[/tex]. Wenn nun die Kernmasse m1 viel viel größer ist als die Elektronmasse m2, dann ist µ=m2 und es ist egal, wie schwer der Kern ist. Daher haben alle Isotope die gleichen chemischen Eigenschaften. Wenn Du nun allerdings m2 (das elektron) durch etwas viel schwereres (das myon, 200 Mal schwerer) ersetzst, dann ändert sich etwas, wie Du ganz richtig sagst. Myonen sind mit 200 Mal höherer Bindungsenergie an den Kern gebunden, und ihre Orbitale sind 200 Mal kleiner, d.h. sie sind 200 Mal näher am Kern als Elektronen.

      Viele Grüße
      Michael
    • Oben steht bereits, dass die Vielfach-Quark Zustände lediglich eine Bestätigung sind. Gibt es in diesem Bereich noch irgendwelche ungeklärten Phänomene?

      Die Idee der Falle sollte sich darauf beziehen, ob es bspw. einen Zwischenzustand gibt, der bereits energetisch günstig ist und den ein Potentialwall vom Zerfall der entsprechenden Hadronen abgrenzt.

      Wie lange besteht der myonissche Wasserstoff? Immerhin hat das einzelne Myon auch nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.
    • Lieber Hannes

      Hannes Vogel wrote:

      Oben steht bereits, dass die Vielfach-Quark Zustände lediglich eine Bestätigung sind. Gibt es in diesem Bereich noch irgendwelche ungeklärten Phänomene?
      Nunja, es ist eine Bestätigung, dass es diese vom Standardmodell vorhergesagten zustände aus 2(3) Quarks und 2(3) Antiquarks tatsächlich gibt. Wie bereits erklärt, ist die Berechnung der genauen Bindungsenergien oder gar Lebensdauern der Zustände sehr schwierig, so dass man evtl über deren Messung etwas mehr darüber lernen kann, wie die starke Wechselwirkung bei kleinen Energien funktioniert, bei denen die Berechnung durch eine Potenzreihenentwicklung in der Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung nicht mehr möglich ist. (Hatte ich schon erklärt was eine Potenzreihenentwicklung ist? Sie ist in ähnlicher Form auch in der sog. "Taylor-Reihe" von Funktionen vorhanden.)

      Hannes Vogel wrote:

      Die Idee der Falle sollte sich darauf beziehen, ob es bspw. einen Zwischenzustand gibt, der bereits energetisch günstig ist und den ein Potentialwall vom Zerfall der entsprechenden Hadronen abgrenzt.
      Aj, jetzt verstehe ich. Die Antwort ist; diese 4- oder 6-Quakr Zustände sind bereits solche energetisch günstigeren Zwischenzustände miteinem kleinen Potenzialwall. Sonst gäbe es sie gar nicht. Aber leider ist eben der Potenzialwall sehr flach und sie leben daher sehr kurz.

      Hannes Vogel wrote:

      Wie lange besteht der myonische Wasserstoff? Immerhin hat das einzelne Myon auch nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.
      Gute Frage! Er lebt (fast) genauso lang wie das Myon, also 2µs. Das "fast" bezieht sich darauf, dass es noch einen zusätzlichen "Zerfall" geben kann, nämlich den Prozess µ- + p+ -> v_µ + n d.h. die Umwandlung in Myon-Neutrino und Neutron, die dann auseinanderfliegen. Das ist aber extrem selten, wie hier im Spektrum Lexikon zu lesen ist: Dieser Prozess ist 1000 Mal seltener als der Myonzerfall und verkürzt daher die Lebensdauer des myonischen wasserstoffs nur um ein Promil.
      Mit myonischem Wasserstoff kann man aber sehr "coole" experimentelle Untersuchungen des Protons machen, wie man im Forschungsbericht des MPI für Quantenoptik nachlesen kann: Da sich das myon einen beträchtlichen Teil seiner Zeit innerhalb des Protons aufhält, lernt man ne ganze Menge Neues darüber, z.B. wie groß das Proton genau ist.

      Viele Grüße
      Michael