Mesone

Il decadimento di un kaone (K⁺) in tre pioni (2 π⁺, 1 π⁻) è un processo che coinvolge sia le interazioni deboli che quelle forti.

Le *interazioni deboli* : l'antiquark strange (s) del kaone trasmuta in un antiquark up (u) tramite l'emissione di un bosone W⁺, il quale decade consequenzialmente in un antiquark down (d) e un quark up (u).

Le *interazioni forti* : un quark up (u) emette un gluone (g) che decade in un quark down (d) e un antiquark down (d).

In fisica delle particelle, i mesoni sono un gruppo di particelle subatomiche composte da un quark e un antiquark legati dalla forza forte.

Sono particelle instabili e decadono tipicamente in fotoni o in leptoni. Il quark e l'antiquark costituenti possono essere omogenei o di tipo diverso (ad es. cc o ud).

Il primo mesone venne teorizzato nel 1935 da Hideki Yukawa come mediatore dell'interazione forte fra nucleoni^[1] e fu poi identificato sperimentalmente nel 1947 nei raggi cosmici (mesone Pi).^[2] Da allora numerosi mesoni sono stati osservati sperimentalmente, in particolare in esperimenti con acceleratori di particelle, e/o teorizzati come mediatori di processi di interazione forte.

Il termine mesone nacque storicamente per indicare particelle con massa intermedia fra l'elettrone e il protone.

Origine del nome

Il nome mesone deriva dal greco μέσον (méson), che vuol dire medio, intermedio,^[3] con riferimento alla loro massa, che è intermedia tra quella dei barioni (maggiore) e quella dei leptoni (minore). Inizialmente il fisico Yukawa, premio Nobel^[4] che per primo condusse studi approfonditi sull'argomento,^[5] scelse il nome «mesotrone», in rima con quello del neutrone o dell'elettrone, ma Heisenberg corresse poi in «mesone», facendo notare che nel termine greco (méson) quel "tr" non c'è.^[6] Il nome neutrone, infatti, deriva dal latino (neuter o neutralis)^[7] e in greco non c'è un nome somigliante con quel significato ("neutro" in greco è οὐδέτερος, udéteros).^[8] Il termine "mesotrone", che alcuni inizialmente adottarono, è ormai del tutto obsoleto.^[9]

Caratteristiche

I mesoni fanno parte della famiglia degli adroni e avendo spin intero sono bosoni. I mesoni più leggeri agiscono a livello effettivo come mediatori della forza forte fra i nucleoni a brevi distanze e più in generale svolgono un ruolo nei processi di interazione forte. Poiché sono composti da quark, interagiscono con altre particelle sia tramite la forza debole che quella forte. I mesoni che hanno una carica elettrica netta partecipano anche all'interazione elettromagnetica a grandi distanze.

I mesoni sono classificati secondo il loro contenuto in quark, il momento angolare totale, la parità e la coniugazione di carica. In base al contenuto di quark e alla simmetria di sapore, i mesoni sono divisi in multipletti di masse quasi degeneri. Ad esempio i tre pioni con carica elettrica positiva, negativa e neutra individuano un tripletto di isospin in cui le masse differiscono solo di circa il 3%.

Mentre nessun mesone risulta stabile, quelli di massa inferiore hanno comunque una vita media più lunga che li rende più facili da osservare nei raggi cosmici e da studiare negli acceleratori di particelle. Alcuni mesoni hanno una massa molto inferiore ai barioni, l'altro grande gruppo di adroni, e per questo motivo sono prodotti in grandi quantità nelle collisioni ad alta energia fra i nucleoni impiegate negli esperimenti moderni. Per esempio, il quark charm per la prima volta fu osservato nel mesone J/Psi (J/ψ) nel 1974,^[10]^[11] e il quark bottom nel mesone upsilon (ϒ) nel 1977.^[12]

Non tutti i mesoni hanno una corrispondente antiparticella (antimesone), dove i quark sono sostituiti dai loro corrispondenti antiquark e viceversa. Ad esempio, un pione positivo (π⁺) è costituito da un quark up e un antiquark down; e la sua antiparticella corrispondente, il pione negativo (π⁻), è costituita da un antiquark up e un quark down. Il pione neutro π⁰ è invece costituito da una miscela simmetrica di quark ed antiquark, sicché l'antiparticella del π⁰ è il π⁰ stesso.

Lista dei mesoni

Le tabelle elencano tutti i mesoni pseudoscalari (J^P = 0⁻) e vettori (J^P = 1⁻), sia osservati che solo previsti a livello teorico.

I simboli riportati sono: I (isospin), J (operatore momento angolare totale), P (parità), C (parità C), G (parità G), u (quark up), d (quark down), s (quark strange), c (quark charm), b (quark bottom), Q (carica), B (numero barionico), S (stranezza), C (charmness), e B′ (bottomness), oltre a numerose particelle subatomiche.

Per le antiparticelle corrispondenti è sufficiente modificare i quark in antiquark, mutando i segni di Q, B, S, C, e B′. Le particelle con il simbolo ^† accanto al nome sono state previste dal modello standard ma non sono ancora state osservate. I valori contrassegnati in rosso non sono stati fermamente stabiliti tramite esperimenti, ma sono previsti dal modello a quark e sono coerenti con le misure.

Mesoni pseudoscalari

Mesoni pseudoscalari
Nome della particella	Simbolo della particella	Simbolo dell' antiparticella	Quark contenuti	Massa a riposo (MeV/c²)	I^G	J^PC	S	C	B'	Vita media (s)	Comunemente decade in (>5% di decadimento)
Pione^[13]	π⁺	π^-	ud	139,57018 ± 0,00035	1⁻	0⁻	0	0	0	2,6033 ± 0,0005×10⁻⁸	μ⁺ + ν_μ
Pione^[14]	π⁰	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$ ^[a]	134,9766 ± 0,0006	1⁻	0⁻⁺	0	0	0	8,4 ± 0,6×10⁻¹⁷	γ + γ
Mesone eta^[15]	η	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}-2s{\bar {s}}}{\sqrt {6}}}$ ^[a]	547,853 ± 0,024	0⁺	0⁻⁺	0	0	0	5,0 ± 0,3×10⁻¹⁹ ^[b]	γ + γ o π⁰ + π⁰ + π⁰ o π+ + π⁰ + π⁻
Mesone eta primo^[16]	η′ (958)	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}+s{\bar {s}}}{\sqrt {3}}}$ ^[a]	957,66 ± 0,24	0⁺	0⁻⁺	0	0	0	3,2 ± 0,2×10⁻²¹ ^[b]	π+ + π⁻ + η o (ρ⁰ + γ) / (π+ + π⁻ + γ) o π⁰ + π⁰ + η
Mesone eta charmed^[17]	η_c(1S)	Lo stesso	cc	2980,3 ± 1,2	0⁺	0⁻⁺	0	0	0	2,5 ± 0,3×10⁻²³ ^[b]	Vedi modi di decadimento di η_c (PDF).
Mesone eta bottom^[18]	η_b(1S)	Lo stesso	bb	9300 ± 40	0⁺	0⁻⁺	0	0	0	Sconosciuta	Vedi modi di decadimento di η_b (PDF).
Kaone^[19]	K⁺	K⁻	us	493,677 ± 0,016	1/2	0⁻	1	0	0	1,2380 ± 0,0021×10⁻⁸	μ⁺ + ν_μ o π+ + π⁰ o π⁰ + e⁺ + ν_e o π+ + π⁰
Kaone^[20]	K⁰	K⁰	ds	497, 614 ± 0,024	1/2	0⁻	1	0	0	^[c]	^[c]
Kaone breve^[21]	K⁰_S	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$ ^[e]	497,614 ± 0,024 ^[d]	1/2	0⁻	(*)	0	0	8,953 ± 0,005×10⁻¹¹	π⁺ + π⁻ o π⁰ + π⁰
Kaone lungo^[22]	K⁰_L	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$ ^[e]	497,614 ± 0,024 ^[d]	1/2	0⁻	(*)	0	0	5,116 ± 0,020×10⁻⁸	π^± + e^∓ + ν_e o π^± + μ^∓ + ν_μ o π⁰ + π⁰ + π⁰ o π⁺ + π⁰ + π⁻
Mesone D^[23]	D⁺	D⁻	cd	1869,62 ± 0,20	1/2	0⁻	0	+1	0	1,040 ± 0,007×10⁻¹²	Vedi modi di decadimento di D⁺ (PDF).
Mesone D^[24]	D⁰	D⁰	cu	1864,84 ± 0,17	1/2	0⁻	0	+1	0	4,101 ± 0,015×10⁻¹³	Vedi modi di decadimento di D⁰ (PDF).
Mesone D strange^[25]	D⁺_s	D⁻_s	cs	1968,49 ± 0,34	0	0⁻	+1	+1	0	5,00 ± 0,07×10⁻¹³	Vedi modi di decadimento di D⁺_s (PDF).
Mesone B^[26]	B⁺	B⁻	ub	5279,15 ± 0,31	1/2	0⁻	0	0	+1	1,638 ± 0,011×10⁻¹²	Vedi modi di decadimento di B⁺ (PDF).
Mesone B^[27]	B⁰	B⁰	db	5279,53 ± 33	1/2	0⁻	0	0	+1	1,530 ± 0,009×10⁻¹²	Vedi modi di decadimento di B⁰ (PDF).
Mesone B strange^[28]	B⁰_s	B⁰_s	sb	5366,3 ± 0,6	0	0⁻	−1	0	+1	1,470+0,026×10⁻¹² 1,470−0,027×10⁻¹²	Vedi modi di decadimento di B⁰_s (PDF).
Mesone B charmed^[29]	B⁺_c	B⁻_c	cb	6276 ± 4	0	0⁻	0	+1	+1	4,6 ± 0,7×10⁻¹³	Vedi modi di decadimento di B⁺_c (PDF).

^[a] Costituzione (makeup) inesatta a causa della masse "diverse da zero" dei quark.
^[b] Il PDG riporta la larghezza di risonanza (Γ). Qui invece viene data la conversione di τ = ħ/Γ.
^[c] Autostato (eigenstate) forte. Nessuna durata di vita definita
^[d] La massa di K⁰_L e di K⁰_S sono date come quella di K⁰. Tuttavia, si sa che esiste una differenza tra le masse di K⁰_L e K⁰_S dell'ordine di 2,2×10⁻¹¹ MeV/c².^[22]
^[e] Autostato debole. La composizione viene a mancare del piccolo termine della violazione del CP.

Mesoni vettori

Mesoni vettori
Nome della particella	Simbolo della particella	Simbolo della antiparticella	Quark contenuti	Massa a riposo (MeV/c²)	I^G	J^PC	S	C	B'	Vita media (s)	Comunemente decade in (>5% di decadimenti)
Mesone rho charged^[30]	ρ⁺(770)	ρ⁻(770)	ud	775,4 ± 0,4	1⁺	1⁻	0	0	0	~4,5×10⁻²⁴ ^[f]^[g]	π⁺ + π⁰
Mesone rho neutro^[30]	ρ⁰(770)	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	775,49 ± 0,34	1⁺	1⁻⁻	0	0	0	~4,5×10⁻²⁴ ^[f]^[g]	π⁺ + π⁻
Mesone omega^[31]	ω(782)	Lo stesso	$\mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	782,65 ± 0,12	0⁻	1⁻⁻	0	0	0	7,75 ± 0,07×10⁻²³ ^[f]	π⁺ + π⁰ + π⁻ o π⁰ + γ
Mesone phi^[32]	φ(1020)	Lo stesso	ss	1019,445 ± 0,020	0⁻	1⁻⁻	0	0	0	1,55 ± 0,01×10⁻²² ^[f]	K⁺ + K⁻ o K⁰_S + K⁰_L o (ρ + π) / (π+ + π⁰ + π⁻)
J/Psi^[33]	J/ψ	Lo stesso	cc	3096,916 ± 0,011	0⁻	1⁻⁻	0	0	0	7,1 ± 0,2×10⁻²¹ ^[f]	Vedi modi di decadimento di J/psi(1S) (PDF).
Mesone upsilon^[34]	ϒ(1S)	Lo stesso	bb	9460,30 ± 0,26	0⁻	1⁻⁻	0	0	0	1,22 ± 0,03×10⁻²⁰ ^[f]	Vedi modi di decadimento di ϒ(1S) (PDF).
Kaone^[35]	K^∗+	K^∗⁻	us	891,66 ± 0,026	1/2	1⁻	1	0	0	~7,35×10⁻²⁰ ^[f]^[g]	Vedi modi di decadimento di K^∗(892) (PDF).
Kaone^[35]	K^∗0	K^∗0	ds	896,00 ± 0,025	1/2	1⁻	1	0	0	7,346 ± 0,002×10⁻²⁰ ^[f]	Vedi modi di decadimento di K^∗0(892) (PDF).
Mesone D^[36]	D^∗+(2010)	D^∗⁻(2010)	cd	2010,27 ± 0,17	1/2	1⁻	0	+1	0	6,9 ± 1,9×10⁻²¹ ^[f]	D⁰ + π+ o D+ + π⁰
Mesone D^[37]	D^∗0(2007)	D^∗0(2007)	cu	2006,97 ± 0,19	1/2	1⁻	0	+1	0	>3,1×10⁻²² ^[f]	D⁰ + π⁰ o D⁰ + γ
Mesone D strange^[38]	D^∗+_s	D^∗⁻_s	cs	2112,3 ± 0,5	0	1⁻	+1	+1	0	>3,4×10⁻²² ^[f]	D∗+ + γ o D∗+ + π⁰
Mesone B^[39]	B^∗+	B^∗⁻	ub	5325,1 ± 0,5	1/2	1⁻	0	0	+1	Sconosciuta	B+ + γ
Mesone B^[39]	B^∗0	B^∗0	db	5325,1 ± 0,5	1/2	1⁻	0	0	+1	sconosciuta	B⁰ + γ
Mesone B strange^[40]	B^∗0_s	B^∗0_s	sb	5412,8 ± 1,3	0	1⁻	−1	0	+1	Sconosciuta	B⁰_s + γ
Mesone B charmed ^†	B^∗+_c	B^∗⁻_c	cb	Sconosciuta	0	1⁻	0	+1	+1	Sconosciuta	Sconosciuti

^[f] Il PDG riporta la larghezza di risonanza (Γ). Qui invece viene data la conversione di τ = ħ/Γ.
^[g] L'esatto valore dipende dal metodo usato. Vedi la sezione dei riferimenti per ulteriori dettagli.

Note

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^ C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini, C. F. Powell, Processes Involving Charged Mesons, in Nature, vol. 159, n. 4047, 1947, p. 694, DOI:10.1038/159694a0.
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Bibliografia

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Voci correlate

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Collegamenti esterni

(EN) meson, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) Particle Data Group – The Review of Particle Physics (2008).
A table of some mesons and their properties, su hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
Authoritative information on particle properties is compiled by the Particle Data Group http://pdg.lbl.gov
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What Happened to the Antimatter? Fermilab's DZero Experiment Finds Clues in Quick-Change Meson, su fnal.gov.
CDF experiment's definitive observation of matter-antimatter oscillations in the Bs meson, su fnal.gov.

V · D · M

Particelle in fisica

Elementari

Fermioni

Quark	Up · Down · Charm · Strange · Top · Bottom
Leptoni	Elettrone · Positrone · Muone · Antimuone · Tauone · Antitauone · Neutrino elettronico · Antineutrino elettronico · Neutrino muonico · Antineutrino muonico · Neutrino tauonico · Antineutrino tauonico

Bosoni

Gauge	Fotone · Gluone · Bosoni W e Z
Scalari	Bosone di Higgs

Ipotetiche

Sparticelle

Gaugini	Gluino · Gravitino · Fotino
Altre	Axino · Chargino · Higgsino · Neutralino · Sfermione · Bosino

Altre

Assione · Dilatone · Gravitone · Monopolo magnetico · Majorone · Tachione · Bosoni X e Y · bosoni W' e Z' · Neutrino sterile · Preone · Fermione di Majorana

Altre

Ghost di Faddeev-Popov

Composte

Adroni

Barioni/ iperoni	Nucleone (Protone · Neutrone) · Barione delta · Barione lambda · Barione sigma · Barione Xi · Barione omega
Mesoni/ quarkoni	Pione · Mesone rho · Mesoni eta e eta primo · Mesone phi · Mesone omega · Mesone J/Psi · Mesone upsilon · Kaone · Mesone B · Mesone D
Adroni esotici	Tetraquark · Pentaquark

Ipotetiche

Barioni esotici	Esaquark
Mesoni esotici	Glueball (Odderone) · Mesone theta · Mesone T
Altre	Molecola mesonica · Pomerone

Altre

Nuclei atomici · Atomi · Atomi esotici (Positronio · Muonio · Tauonio · Pionio) · Atomolecole · Molecole · Superatomo

Quasiparticelle

Droplettone · Eccitone · Fasone · Frattone · Fonone · Lacuna · Levitone · Magnone · Plasmarone · Plasmone · Polaritone · Polarone · Qualunquone · Rotone · Skyrmione · Skyrmione magnetico · Solitone · Solitone di Davydov · Spinone · Topolaritone

Cronologia della scoperta delle particelle

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