Meson, tout membre d’une famille de particules subatomiques composée d’un quark et d’un antiquark. Les mésons sont sensibles à la force forte, l’interaction fondamentale qui lie les composants du noyau en régissant le comportement des quarks qui les constituent. Prédite théoriquement en 1935 par le physicien japonais Yukawa Hideki, l’existence des mésons a été confirmée en 1947 par une équipe dirigée par le physicien anglais Cecil Frank Powell avec la découverte du pi-meson (pion) dans des interactions de particules de rayons cosmiques. Plus de 200 mésons ont été produits et caractérisés dans les années qui ont suivi, la plupart dans des expériences d’accélérateurs de particules à haute énergie. Tous les mésons sont instables, avec des durées de vie allant de 10-8 seconde à moins de 10-22 seconde. Leur masse varie également beaucoup, de 140 mégaélectronvolts (MeV ; 106 eV) à près de 10 gigaélectronvolts (GeV ; 109 eV). Les mésons servent d’outil utile pour étudier les propriétés et les interactions des quarks.
Malgré leur instabilité, de nombreux mésons durent suffisamment longtemps (quelques milliardièmes de seconde) pour être observés avec des détecteurs de particules, ce qui permet aux chercheurs de reconstituer les mouvements des quarks. Tout modèle tentant d’expliquer les quarks doit élucider correctement le comportement des mésons. L’un des premiers succès de l’Eightfold Way – précurseur des modèles modernes de quarks conçus par les physiciens Murray Gell-Mann et Yuval Neʾeman – a été la prédiction puis la découverte de l’étalon-méson (1962). Quelques années plus tard, le taux de désintégration du pi-meson en deux photons a été utilisé pour étayer l’hypothèse selon laquelle les quarks peuvent prendre l’une des trois « couleurs ». L’étude des modes de désintégration concurrents des mésons-K, qui se produisent via la force faible, a permis de mieux comprendre la parité (propriété d’une particule élémentaire ou d’un système physique qui indique si son image miroir existe dans la nature) et sa non-conservation dans l’interaction faible. La violation de CP (la violation des lois de conservation combinées associées à la charge et à la parité ) a été découverte en premier dans le système des mésons K et fait l’objet d’une étude dans les mésons B (qui contiennent des quarks inférieurs).
Les mésons fournissent également un moyen d’identifier de nouveaux quarks. La particule J/psi, découverte indépendamment par des équipes dirigées par les physiciens américains Samuel C.C. Ting et Burton Richter en 1974, s’est avérée être un méson composé d’un quark de charme et de son antiquark. (Jusqu’à cette date, trois types de quark avaient été postulés – haut, bas et étrange). C’était la première manifestation du charme, un nouveau nombre quantique dont l’existence implique que les quarks sont liés par paires. La découverte ultérieure d’un autre méson lourd, appelé upsilon, a révélé l’existence du quark inférieur et de l’antiquark qui l’accompagne et a donné lieu à des spéculations sur l’existence d’une particule complémentaire, le quark supérieur. Ce sixième type de quark, ou « saveur », a été découvert en 1995. La preuve concluante de son existence a mis fin à la recherche de l’une des dernières pièces manquantes du modèle standard de la physique des particules, qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions.