Mesone, qualsiasi membro di una famiglia di particelle subatomiche composte da un quark e un antiquark. I mesoni sono sensibili alla forza forte, l’interazione fondamentale che lega i componenti del nucleo regolando il comportamento dei loro quark costituenti. Previsto teoricamente nel 1935 dal fisico giapponese Yukawa Hideki, l’esistenza dei mesoni è stata confermata nel 1947 da un team guidato dal fisico inglese Cecil Frank Powell con la scoperta del pi-mesone (pione) nelle interazioni tra particelle di raggi cosmici. Più di 200 mesoni sono stati prodotti e caratterizzati negli anni successivi, la maggior parte in esperimenti con acceleratori di particelle ad alta energia. Tutti i mesoni sono instabili, con tempi di vita che vanno da 10-8 secondi a meno di 10-22 secondi. Variano anche ampiamente in massa, da 140 megaelettronvolt (MeV; 106 eV) a quasi 10 gigaelectronvolt (GeV; 109 eV). I mesoni servono come un utile strumento per studiare le proprietà e le interazioni dei quark.
Nonostante la loro instabilità, molti mesoni durano abbastanza a lungo (qualche miliardesimo di secondo) per essere osservati con i rivelatori di particelle, rendendo possibile ai ricercatori ricostruire i movimenti dei quark. Qualsiasi modello che tenti di spiegare i quark deve chiarire correttamente il comportamento dei mesoni. Uno dei primi successi dell’Eightfold Way – un precursore dei moderni modelli di quark ideati dai fisici Murray Gell-Mann e Yuval Neʾeman – fu la previsione e la successiva scoperta dell’eta-mesone (1962). Alcuni anni dopo, il tasso di decadimento del pi-mesone in due fotoni fu usato per sostenere l’ipotesi che i quark possono assumere uno dei tre “colori”. Gli studi dei modi di decadimento concorrenti dei mesoni K, che avvengono tramite la forza debole, hanno portato a una migliore comprensione della parità (la proprietà di una particella elementare o di un sistema fisico che indica se la sua immagine speculare si verifica in natura) e della sua non conservazione nell’interazione debole. La violazione CP (la violazione delle leggi di conservazione combinate associate alla carica e alla parità) è stata scoperta per prima nel sistema dei mesoni K ed è oggetto di studio nei mesoni B (che contengono quark inferiori).
I mesoni forniscono anche un mezzo per identificare nuovi quark. La particella J/psi, scoperta indipendentemente da squadre guidate dai fisici americani Samuel C.C. Ting e Burton Richter nel 1974, ha dimostrato di essere un mesone composto da un quark charm e dal suo antiquark. (Fino a quel momento, erano stati postulati tre tipi di quark: up, down e strange). Era la prima manifestazione del fascino, un nuovo numero quantico la cui esistenza implica che i quark sono legati in coppia. La successiva scoperta di un altro mesone pesante, chiamato upsilon, ha rivelato l’esistenza del quark inferiore e del suo antiquark di accompagnamento e ha dato luogo a speculazioni sull’esistenza di una particella compagna, il quark superiore. Questo sesto tipo di quark, o “sapore”, è stato scoperto nel 1995. La prova conclusiva della sua esistenza ha fatto culminare la ricerca di uno degli ultimi pezzi mancanti nel Modello Standard della fisica delle particelle, che descrive le particelle fondamentali e le loro interazioni.