Mesone

In fisica delle particelle, i mesoni sono un gruppo di particelle subatomiche composte da un numero pari di quark e antiquark (solitamente una coppia) legati dalla forza forte.

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).

Sono particelle instabili e decadono tipicamente in fotoni o in leptoni. I quark e gli 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

La combinazione dei mesoni pseudoscalari (con spin=0) in disposizione a nonetto.

La combinazione dei mesoni vettori (spin=1) in disposizione a nonetto.

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

La combinazione dei mesoni pseudoscalari (con spin=0) in disposizione a nonetto.

La combinazione dei mesoni vettori (spin=1) in disposizione a nonetto.

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)	IG	JPC	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+ + νμ
Pione[14]	π⁰	Lo stesso	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$ [a]	134,9766 ± 0,0006	1−	0−+	0	0	0	8,4 ± 0,6×10−17	γ + γ
Mesone eta[15]	η	Lo stesso	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}-2s{\bar {s}}}{\sqrt {6}}} }$ [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	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}+s{\bar {s}}}{\sqrt {3}}} }$ [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]	ηc(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 ηc (PDF).
Mesone eta bottom[18]	ηb(1S)	Lo stesso	bb	9300 ± 40	0+	0−+	0	0	0	Sconosciuta	Vedi modi di decadimento di ηb (PDF).
Kaone[19]	K+	K⁻	us	493,677 ± 0,016	1/2	0−	1	0	0	1,2380 ± 0,0021×10−8	μ+ + νμ o π+ + π⁰ o π⁰ + e+ + νe o π+ + π⁰
Kaone[20]	K⁰	K⁰	ds	497, 614 ± 0,024	1/2	0−	1	0	0	[c]	[c]
Kaone breve[21]	K⁰S	Lo stesso	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$ [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]	K⁰L	Lo stesso	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$ [e]	497,614 ± 0,024 [d]	1/2	0−	(*)	0	0	5,116 ± 0,020×10−8	π± + e∓ + νe o π± + μ∓ + νμ 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]	B⁰s	B⁰s	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 B⁰s (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)	IG	JPC	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	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$	775,49 ± 0,34	1+	1−−	0	0	0	~4,5×10−24 [f][g]	π+ + π⁻
Mesone omega[31]	ω(782)	Lo stesso	${\displaystyle \mathrm {\tfrac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}} }$	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 K⁰S + K⁰L 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∗0s	B∗0s	sb	5412,8 ± 1,3	0	1−	−1	0	+1	Sconosciuta	B⁰s + 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.