Modèle standard des particules
Hadrons : mésons (bosons)

Les hadrons - du grec, " hadros ", fort -, sensibles à l'interaction forte se présentent sous forme :

• de baryons - du grec " barys ", lourd - constitués de trios de quarks, qui sont des fermions (de spin 1/2) : les plus connus sont les nucléons - proton et neutron ;
• de mésons - du grec " mesos ", moyen - paires quark-antiquark très instables, de masse intermédiaire, qui font partie des bosons (de spin entier).

Vue d'ensemble

Les mésons, hadrons sensibles à l'interaction forte, sont :

• des bosons (de spin entier),
• composés d'une paire quark/antiquark, donc de taille d'environ 2/3 de celle des nucléons,

Par exemple, le pion positif ($\pi^+$) est composé d'un quark up et d'un antiquark down, son antiparticule, le pion négatif ($\pi^-$) est composé d'un antiquark up et un quark down.

• de vie moyenne très courte (de 10^-8 à 10^-23) suivant le cas.

Les antiquarks ont, par rapport aux quarks, :

• une saveur (Strangeness, Charm, Bottomness ou beauty, Topness) de signe opposé, la saveur d'un méson non-neutre a le même signe que sa charge.
• une charge électrique opposée,
• une charge de couleur opposée, soit antirouge, antivert ou antibleu.

Les mésons peuvent être :

• chargés ($e^-$,$e^+$) et se désintègrent en électrons et neutrinos.
• non chargés et se désintègrent en photons.

Ils interviennent pour transmettre :

• l'interaction forte principalement, pour maintenir la cohésion entre nucléons dans le noyau atomique, un peu comme le font les photons pour la force électromagnétique ;
• l'interaction électromagnétique quand ils possèdent une charge ;
• mais aussi, l'interaction faible.

Les mésons apparaissent fugacement dans des interactions de très grande énergie comme lors des actions des rayons cosmiques sur les noyaux atomiques. Des mésons lourds sont souvent créés dans les expériences pour reproduire le Big Bang, mais ils ne semblent jouer aucun rôle aujourd'hui.

Propriétés des mésons

Les mésons sont classés suivant plusieurs nombres quantiques : leur spin $S$, leur moment angulaire - ou cinétique - orbital $L$, leur moment angulaire - ou cinétique - total $J$, leur parité $P$…

1. Le spin (moment angulaire ou cinétique intrinsèque) des quarks isolés est de $S=1/2$ (longueur du vecteur) et leurs projections sur $z$ $S_z=+1/2$ et $S_z=-1/2$, sont possibles car le spin est incrémenté de $1$, ou plus précisément de $1\hbar$.

• Les deux quarks peuvent avoir leurs spins alignés : $S=1$ et 3 projections possibles - $S_z=+1$, $S_z=0$ et $S_z=-1$ -. C'est un triplet de spin-1.

• 

  Les deux quarks peuvent avoir leurs spins non-alignés : $S=0$ et une seule projection possible - $S_z=0$ -. C'est un singulet de spin-0.

2. Leur moment angulaire - ou cinétique - orbital $(L)$ est aussi incrémenté de $1\hbar$ : c'est le mouvement des quarks l'un autour de l'autre.

$L=0,\,+1,\,+2,\,+3$

Leur moment angulaire - ou cinétique - total $J$ est conservé (théorème de Noether) et combine à la fois le spin et le moment cinétique orbital d'une particule ou d'un système.

$J=L+S$, avec $|L -S|\leq J\leq L +S$ avec une incrémentation de $1\hbar$.

• Si $S=0$, alors $J=L$.
• Si $S=1$ :
  • si $L=0$, $J=1$ ;
  • si $L=1$, $J=2,\,1,\,0$ ;
  • si $L=1$, $J=3,\,2,\,1$ ;
  • si $L=1$, $J=4,\,3,\,2$.

Les mésons les plus étudiés sont les mésons $S=1$ avec $L=0$ ($J=1$), et $S=0$ avec $L=0$ ($J=0$).

3. Leur parité $\mathcal P$ est relié au moment angulaire orbital par la formule : $\mathcal P=(-1)^{L+1}$.

On combine $J$ et $\mathcal P$ pour définir un nombre $J^P$ : $J^P=0^-$ ou $J^P=1^-$ par exemple.

4. Leurs autres nombres quantiques sont donnés dans les quarks (saveurs, isospin, charge…).

5. La couleur des mésons est forcément blanche, i.e avec un quark d'une couleur, et l'antiquark avec l'anticouleur.

Les quarks sont confinés comme dans le cas des baryons par le champ de gluons.

Classification et liste des mésons

Les mésons peuvent être classés en fonction de leurs propriétés mathématiques :

• les mésons pseudoscalaires avec $J^P=0^-$ ;
• les mésons pseudovecteurs avec $J^P=1^+$ ;
• les mésons vecteurs avec $J^P=1^-$ ;
• les mésons scalaires avec $J^P=0^+$.

Il existe aussi des mésons dits " exotiques ".

Les mésons peuvent être aussi classés en ( liste) :

• mésons sans saveur, i.e. composés d'un quark et d'un antiquark de même saveur, i.e. leurs nombres quantiques de saveurs est nul : $S=0$, $C=0$, $B'=0$ et $T=0$ comme les pions $\pi$ ou les mésons $\eta$.
• mésons avec saveurs, i.e. composés d'un quark et d'un antiquark de saveur différente, i.e. leurs nombres quantiques de saveurs est non nul : $S\ne0$, $C\ne0$, $B'\ne0$ ou $T\ne0$ comme les kaons $K$, les mésons $D$, $B$…

Kaons