meson
En meson er en subatomar partikel, der består af en kvark og en anti-kvark. Sammen med baryonerne udgør mesoner hadronerne, som er partikler, der påvirkes af den stærke kernekraft. Mesoner har typisk en diameter på ca. én femtometer (10-15 m), hvilket er lidt over halvdelen af en proton eller en neutron.
Mesoner er alle ustabile partikler. Størstedelen henfalder via den stærke kernekraft og har derfor en meget kort henfaldstid (ca. 10-20 s eller mindre). En mindre del henfalder via den svage kernekraft og har en længere henfaldstid (10-12-10-8 s).
Eksistensen af mesoner blev forudsagt af den japanske fysiker Hideki Yukawa i 1935. Man kendte på dette tidspunkt ikke til eksistensen af kvarker, og forudsigelsen handlede derfor ikke om eksistensen af partikler opbygget af en kvark og en anti-kvark, men om partikler, der skulle være kraftbærere (se bosoner) for den stærke kernekraft og dermed få protoner og neutroner i atomkernen til at hænge sammen. Hvis der ikke eksisterer en sådan kraft, vil protonernes positive elektriske ladning gøre alle atomkerner meget ustabile, og da vi ved, at der eksisterer mange stabile atomkerner, må der findes en sådan kraft.
Idéen var inspireret af kvanteelektrodynamik, som få år forinden med stor succes havde brugt samme idé til at forklare elektromagnetiske kræfter ved hjælp af udveksling af fotoner som kraftbærerpartikler.
Yukawas argument var baseret på den kendte rækkevidde af de forskellige naturkræfter. Elektromagnetisme har en uendelig rækkevidde, hvilket betyder, at man altid vil kunne beregne en – måske meget svag – påvirkning fra den, uanset hvor langt man befinder sig fra en elektrisk ladning. Dette skyldes at kraftbærerpartiklen, fotonen, er masseløs. Yukawa indså, at fordi rækkevidden af den stærke kernekraft ikke er uendelig, men af størrelsesorden én femtometer, må kraftbærerpartiklen have en masse. Ved hjælp af Heisenbergs ubestemthedsrelation kunne Yukawa forudsige at massen på den nye partikel skulle være omkring 100 MeV, dvs. ca. en tiendedel af en protons masse.
En partikel med de forudsagte egenskaber blev opdaget ved et eksperiment i 1947.
I dag ved vi, at den partikel der blev opdaget I 1947, er en del af en mindre familie af partikler, kaldet pioner, typisk skrevet som det græske bogstav π (pi). Der eksisterer tre forskellige pioner, kaldet π+, π- og π0 alt efter deres elektriske ladning. Den elektriske ladning bestemmes af indholdet af kvarker, der selv har elektrisk ladning; se standardmodellen. Pioner består af kobinationer af up -og down-kvarker samt deres antipartikler. Kvarkerne holdes sammen af gluoner.
Der findes i alt mere end 200 forskellige mesoner, bygget op af forskellige kombinationer af de seks kvarker og deres tilhørende antikvarker. Historisk er de tungere kvarker opdaget ved hjælp af mesoner, såkaldte eksotiske mesoner. Et berømt eksempel er partiklen J/ψ, der består af en charm-kvark og dens antikvark. Den blev opdaget i to uafhængige eksperimenter i 1974, hvorfor den stadig i dag har de to navne J og ψ.
På Jorden dannes mesoner naturligt i atmosfæren, når kosmisk stråling med høj energi rammer en af atmosfærens atomkerner. Dette producerer en kaskade af sekundære partikler skabt i sammenstødene, hvor mange af dem vil være mesoner. På grund af de sekundære partiklers store hastighed relativt til Jorden vil relativitetsteoriens tidsforlængelse sørge for, at mesonerne ikke er henfaldet, før de rammer Jorden, hvor de kan måles i detektoreksperimenter, selv om den tid, det har taget mesonerne at rejse fra atmosfæren til Jorden (som målt på Jorden), er længere end mesonernes henfaldstid. På denne måde har henfaldseksperimenter med mesoner ført til adskillige bekræftelser af relativitetsteorien.
Lette mesoner kan typisk kun henfalde på en håndfuld forskellige måder, mens flere af de tunge, eksotiske mesoner kan henfalde på flere hundrede måder. Ofte henfalder de til andre ustabile partikler, der igen henfalder – måske flere gange – før stabile partikler nås.
Mesoner produceres i kollisionseksperimenter som f.eks. ved CERN. Når detektorer skal finde mesonerne, må de derfor kigge efter deres henfaldsprodukter og forsøge at regne ud, hvilke mesoner der kunne have givet de partikler, som i sidste ende blev observeret.