Mesoni
I mesoni sono particelle subatomiche costituite da un numero pari di quark e antiquark, nella maggior parte dei casi una coppia $q\bar{q}$ legate tra loro dall'interazione forte.
Si tratta di particelle composte, ovvero non elementari, e fanno parte della famiglia degli adroni, come i barioni.
Inoltre, avendo uno spin intero (0 oppure 1), sono bosoni e seguono la statistica di Bose‑Einstein.
Un mesone nasce dall’unione di:
- un quark (es. $ u $, $ d $, $ s $, $ c $, $ b $, $ t $)
- un antiquark (es. $ \bar{u} $ , $ \bar{d} $ , $ \bar{s} $ , $ \bar{c} $ , $ \bar{b} $ , $ \bar{t} $ )
Il quark e l'antiquark possono essere dello stesso tipo (es. $ c \bar{c} $) oppure diversi (es. $ u \bar{d} $).
Ad esempio, il mesone $\pi^+$ è formato da un quark $ u $ e un antiquark $ \bar{d} $. Il mesone $K^0$ contiene un quark $ d $ e un antiquark $ \bar{s} $. Il mesone $J/\psi$ è composto da un quark $ c $ (charm) e un antiquark $ \bar{c} $, ecc.
Sebbene venga detto che i mesoni possono contenere anche combinazioni multiple con più quark e antiquark (es. $cc\bar{c}\bar{c}$), formalmente i mesoni sono solo sistemi $q\bar{q}$ a coppia.
In genere, le configurazioni con quattro quark (tetraquark) sono classificate come "esotiche".
I mesoni sono instabili e decadono rapidamente in altre particelle, come fotoni, elettroni, muoni o neutrini, a seconda del tipo.
In genere, i mesoni di massa inferiore hanno una vita più lunga e sono più facili da osservare nei raggi cosmici.
Ad esempio, il pione neutro $\pi^0$ decade in due fotoni $\gamma$ mentre il kaone carico $K^+$ può decadere in un muone $\mu^+$ e un neutrino $\nu_\mu$.
Perché si chiamano mesoni?
Il termine mesone deriva dal greco "mesos", che significa "intermedio", venne scelto perché, la loro massa è compresa tra quella dell’elettrone (molto leggera) e del protone (più pesante).
Nota. Nel 1935, il fisico giapponese Hideki Yukawa teorizzò l’esistenza di una particella mediatore della forza forte: un mesone con massa intermedia tra quella dell’elettrone e del protone. Pochi anni dopo, nel 1947, venne osservato sperimentalmente il primo mesone: il pione $\pi$.
Oggi sappiamo che il criterio della massa non è più sufficiente per definire i mesoni, anche se il nome è stato conservato per tradizione.
Con il tempo, infatti, sono stati scoperti numerosi mesoni con una massa superiore a quella del protone.
Allo stesso tempo, esistono altre particelle, come i leptoni pesanti (muone e tau), che pur avendo una massa intermedia tra elettrone e protone, non sono mesoni, poiché non sono composte da quark.
In altre parole, non tutti i mesoni hanno una massa intermedia tra elettrone e protone, e non tutte le particelle con massa intermedia tra elettrone e protone sono mesoni.
Il ruolo dei mesoni nelle interazioni fondamentali
Nonostante siano particelle composte, a certe scale i mesoni si comportano come mediatori effettivi della forza forte tra protoni e neutroni nei nuclei atomici.
Soprattutto quelli più leggeri come i pioni ($\pi^+$, $\pi^-$, $\pi^0$), giocano un ruolo fondamentale nei processi di interazione nucleare.
Mesoni leggeri e forza nucleare residua
I pioni sono responsabili della forza nucleare residua che tiene uniti i nucleoni (protoni e neutroni) nel nucleo atomico.
Questa forza agisce a brevi distanze (qualche femtometro) e non è altro che una manifestazione residua della forza forte che lega i quark nei nucleoni.
Ad esempio, due protoni, che dovrebbero respingersi per la forza elettrostatica, restano uniti nel nucleo grazie allo scambio continuo di pioni.
Interazioni multiple: forte, debole ed elettromagnetica
Essendo formati da quark, i mesoni sono soggetti a tutte e tre le interazioni fondamentali delle particelle dotate di massa:
- Forza forte: è la loro interazione primaria. I mesoni stessi sono tenuti insieme dalla forza forte, tramite i gluoni, e partecipano a collisioni e trasformazioni all’interno dei nuclei e nelle collisioni ad alta energia.
- Forza debole: i mesoni decadono tramite l’interazione debole. Questo avviene, ad esempio, nei decadimenti di $\pi^+ \to \mu^+ + \nu_\mu$, dove un pione decade in un muone e un neutrino.
- Interazione elettromagnetica: se un mesone ha carica elettrica netta (es. $\pi^+$, $K^-$), può interagire con il campo elettromagnetico, per esempio curvando la sua traiettoria in un campo magnetico o emettendo radiazione durante un processo di accelerazione.
Quindi, i mesoni occupano una posizione unica nella gerarchia della materia. Sono una sorta di ponte tra nucleoni e quark.
Da un lato, non sono costituenti stabili della materia, come protoni ed elettroni. Dall’altro, sono le prime particelle a riflettere il comportamento quantistico della forza forte a livello di quark.
Svolgono un ruolo nei meccanismi che regolano la stabilità nucleare, la trasmutazione delle particelle e l’interazione tra materia e forze fondamentali.
Lista dei principali mesoni
Ecco una lista con i principalii mesoni e una breve descrizione delle loro caratteristiche.
| Mesone | Composizione | Spin | Note principali |
|---|---|---|---|
| Pione \( \pi^+ \) | \( u\overline{d} \) | 0 | Mesone più leggero, coinvolto nei decadimenti nucleari |
| Pione \( \pi^- \) | \( d\overline{u} \) | 0 | Prodotto nei raggi cosmici e in collisioni ad alta energia |
| Pione \( \pi^0 \) | \( \frac{1}{\sqrt{2}} (u\overline{u} - d\overline{d}) \) | 0 | Mesone neutro, decade rapidamente in due fotoni |
| Kaone \( K^+ \) | \( u\overline{s} \) | 0 | Studia la violazione della simmetria CP |
| Kaone \( K^- \) | \( s\overline{u} \) | 0 | Decade tramite interazione debole |
| Kaone \( K^0 \) | \( d\overline{s} \) | 0 | Forma sistemi oscillanti \( K^0 \) / \( \overline{K}^0 \) |
| J/psi | \( c\overline{c} \) | 1 | Scoperto nel 1974, ha vita lunga per un mesone |
| Mesone D | \( c\overline{d} \) o \( c\overline{u} \) | 0 | Contiene quark charm, usato in studi sull’interazione debole |
| Mesone B | \( b\overline{u} \), \( b\overline{d} \), ecc. | 0 o 1 | Importante per test di violazioni di simmetrie fondamentali |
La storia
Nel modello classico, non era chiaro cosa tenesse unito il nucleo atomico: i protoni, tutti con carica positiva, avrebbero dovuto respingersi fortemente a causa della forza elettrostatica.
Per spiegare la stabilità del nucleo, si ipotizzò l’esistenza di una forza più intensa, capace di vincere la repulsione elettrica.
Gli scienziati dell'epoca la chiamarono la forza forte.
Perché non la percepiamo?
Nonostante sia potentissima, la forza forte ha un raggio d’azione estremamente corto, comparabile con le dimensioni del nucleo.
Per questo motivo, nella vita quotidiana non la percepiamo: tutte le forze che normalmente sperimentiamo, dalla chimica alla meccanica, sono essenzialmente di natura elettromagnetica, tranne la gravità.
La teoria di Yukawa (1934)
Il fisico giapponese Hideki Yukawa propose nel 1934 un modello della forza forte basato sull’interazione tra nucleoni mediata da una particella, analoga al fotone per la forza elettromagnetica.
Per spiegare il corto raggio dell’interazione, Yukawa dedusse che questa particella doveva avere massa, circa 300 volte quella dell’elettrone, ossia circa un sesto della massa del protone.
Nascita dei mesoni
Poiché la massa prevista era intermedia tra quella dell’elettrone e quella del protone, la particella fu chiamata mesone, termine che significa proprio “di peso intermedio”.
Del resto, gli elettroni erano già classificati come leptoni (“leggeri”), mentre protoni e neutroni erano noti come barioni (“pesanti”).
I raggi cosmici e la scoperta del muone
Nel 1937, due gruppi di ricerca (il primo condotto da Anderson e Neddermeyer, il secondo da Street e Stevenson) individuarono delle particelle con massa intermedia nei raggi cosmici, queste particelle sembravano corrispondere a quella prevista da Yukawa.
Per un periodo si pensò che fosse stata scoperta la particella cercata, ossia il mesone.
Tuttavia, la massa non era coerente con le previsioni e la vita media era sbagliata.
Inoltre, la particella individuata interagiva debolmente con i nuclei e quindi non poteva essere il mediatore della forza forte.
Nel 1947, il gruppo di Cecil Powell a Bristol (e teoricamente Marshak) scoprì che esistevano due diverse particelle con massa intermedia nei raggi cosmici:
- Il pione (π): vera particella di Yukawa, interagisce fortemente con i nucleoni
- Il muone (μ): più leggero, non partecipa alla forza forte, ma si comporta come un elettrone pesante
I pionì vengono prodotti in atmosfera alta ma decadono rapidamente.
Il muone è uno dei prodotti del decadimento e, avendo vita media più lunga, riesce ad arrivare fino al livello del mare ed è infatti quello che si osserva comunemente nei laboratori.
Tuttavia, sebbene inizialmente classificato come un mesone per via della sua massa, il muone non partecipa alle interazioni forti.
Per questo oggi, il muone è classificato come leptone e non più come mesone.
E così via.
