Mesone

particella subatomica composta da una coppia quark-antiquark
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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

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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

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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

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Le tabelle elencano tutti i mesoni pseudoscalari (JP = 0) e vettori (JP = 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

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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   [a] 134,9766 ± 0,0006 1 0−+ 0 0 0 8,4 ± 0,6×10−17 γ + γ
Mesone eta[15] η Lo stesso   [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   [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 K ds 497, 614 ± 0,024 1/2 0 1 0 0 [c] [c]
Kaone breve[21] K⁰S Lo stesso   [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   [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 D 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 B 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 Bs 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 K⁰L e di K⁰S sono date come quella di K⁰. Tuttavia, si sa che esiste una differenza tra le masse di K⁰L e K⁰S 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

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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   775,49 ± 0,34 1+ 1−− 0 0 0 ~4,5×10−24 [f][g] π+ + π⁻
Mesone omega[31] ω(782) Lo stesso   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.

  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).
  16. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – η′ (PDF).
  17. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – ηc (PDF).
  18. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – ηb (PDF).
  19. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K+ (PDF).
  20. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K⁰ (PDF).
  21. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K⁰S (PDF).
  22. ^ a b C. Amsler et al. (2008): Particle listings – K⁰L (PDF).
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  24. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – D⁰ (PDF).
  25. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – D+s (PDF).
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  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).
  39. ^ a b C. Amsler et al. (2008): Particle listings – B* (PDF).
  40. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – B* (PDF).

Bibliografia

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Voci correlate

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Collegamenti esterni

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