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.

Note

1. (EN) Hideki Yukawa, On the Interaction of Elementary Particles (PDF), in Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan, vol. 17, 1935, p. 48.
2. 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.
3. DIZIONARIO GRECO ANTICO - Greco antico - Italiano, su grecoantico.com. URL consultato il 1º marzo 2024.
4. (EN) The Nobel Prize in Physics 1949, su NobelPrize.org. URL consultato il 1º marzo 2024.
5. Hideki Yukawa, On the Interaction of Elementary Particles. I, in Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. 3rd Series, vol. 17, 1935, pp. 48–57, DOI:10.11429/ppmsj1919.17.0_48. URL consultato il 1º marzo 2024.
6. George Gamow, The great physicists from Galileo to Einstein, Dover, 1988, p. 315, ISBN 978-0-486-25767-9.
7. (EN) William D. Harkins, XXXIX. The constitution and stability of atom nuclei . (A contribution to the subject of inorganic evolution.), in The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 42, n. 249, 1921-09, pp. 305–339, DOI:10.1080/14786442108633770. URL consultato il 1º marzo 2024.
8. DIZIONARIO GRECO ANTICO - Italiano - Greco antico, su www.grecoantico.com. URL consultato il 6 aprile 2024.
9. Il nuovo De Mauro, su Dizionario Internazionale.
10. J.J. Aubert et al. (1974)
11. J.E. Augustin et al. (1974)
12. S.W. Herb et al. (1977)
13. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – π⁺ (PDF).
14. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – π⁰ (PDF).
15. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – η (PDF) (archiviato dall'url originale il 5 giugno 2011).
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17. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – η_c (PDF).
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29. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – B⁺_c (PDF).
30. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – ρ (PDF).
31. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – ω(782) (PDF).
32. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – φ (PDF).
33. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – J/Ψ (PDF).
34. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – ϒ(1S) (PDF).
35. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K^∗(892) (PDF).
36. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – D^*+-(2010) (PDF).
37. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – D^∗0(2007) (PDF).
38. C. Amsler et al. (2008): Particle listings – D^*+- (PDF).
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Bibliografia

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Voci correlate

• Bosone vettore
• Bosone (fisica)
• Bosone pseudoscalare
• Bosoni vettori assiali
• Fisica delle particelle elementari
• Kaone
• Lista delle particelle
• Mesone rho
• Mesone omega
• Pione
• Tetraquark

Altri progetti

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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
• hep-ph/0211411: The light scalar mesons within quark models, su arxiv.org.
• (EN) NAMING SCHEME FOR HADRONS (PDF), su pdg.lbl.gov.
• 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.

Controllo di autorità	Thesaurus BNCF 35424 · LCCN (EN) sh85083949 · GND (DE) 4169475-2 · BNF (FR) cb11980368z (data) · J9U (EN, HE) 987007565542505171 · NDL (EN, JA) 00573902

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