Mezon

Mezonlar güçlü etkileşim ile bağlı bir kuark ve bir antikuarktan oluşan hadronik atomaltı parçacıklardır. Atomaltı parçacıklardan oluştuklarından mezonlar, kabaca bir femtometre kadarlık bir yarıçaplı (proton veya nötronun 'ü kadar) fiziksel bir boyuta sahiptirler. Bütün mezonlar kararsızdırlar ve en uzun ömürlüsü mikrosaniyenin altında bir ömre sahiptir. Yüklü mezonların (bazen aracı parçacıklar yoluyla) bozunmasıyla elektron ve nötrino oluşur. Yüksüz mezonların bozunmasıyla da fotonlar oluşur.

Mezonlar radyoaktif bozunma ile oluşmazlar ancak doğada, kuarklardan oluşan maddeler arasındaki yüksek enerjili etkileşimlerin kısa ömürlü ürünü olarak açığa çıkarlar. Örneğin kozmik ışın etkileşimlerinde bu parçacıklar sıradan protonlar ve nötronlardır. Mezonlar ayrıca sıklıkla, protonların, antiprotonların veya diğer parçacıkların çarpıştığı yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarda yapay olarak oluşur.

Hafif mezonlar, (tıpkı fotonların elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olmaları gibi) nükleer kuvvetin taşıyıcısı olan kuantum alanı parçacıkları ile ilişkili olamaları sebebiyle doğada öneme sahiplerdir. Yüksek enerjili (daha ağır) mezonlar Büyük Patlama esnasında kısa süreli olarak oluşmuşlardır ve bugün herhangi bir öneme sahip değillerdir. Ancak bu tür parçacıklar, ağır mezonları oluşturan, ağır türden kuarkların doğasının anlaşılabilmesi için, devamlı olarak deneylerde yaratılmaktadır.

Mezonlar, basitçe kuarklardan oluşan parçacıkları ifade eden hadronlar parçacık ailesine aittir. Hadron ailesinin diğer üyeleri, iki yerine üç kuarktan oluşan baryonlardır. Bazı deneyler iki kuark ve iki antikuarktan oluşan egzotik mezonların (tetrakuark) varlığına dair deliller göstermiştir. Kuarklar spinli olduğundan, içerdikleri kuark sayısına bakıldığında mezonların bozon, baryonların da fermiyon olduğu görülebilir.

Her bir mezona karşılık gelen bir antiparçacık (antimezon) bulunmaktadır. Antiparçacıkta, kuarklar kendisine karşılık gelen antikuarkla ve antikuarklar da kendisine karşılık gelen kuarkla yer değiştirmiş halde bulunur. Örneğin pozitif pion (π+) bir yukarı kuark ve bir aşağı antikuarktan oluşur ve buna karşılık gelen antiparçacık negatif pion (π-) da bir yukarı antikuark ve bir aşağı kuarktan oluşur.

Mezonlar kuarklardan oluştuğundan hem zayıf hem de güçlü etkileşime katılırlar. Net bir elektrik yüküne sahip mezonlar ayrıca elektromanyetik etkileşime de katılır. Mezonlar kuark içeriklerine, toplam açısal momentum sayısına, paritesine ve C paritesi ve G paritesi gibi diğer fiziksel özelliklerine göre sınıflandırılırlar. Hiçbir mezonun kararlı olmamasına karşın hafif olanlar ağırlarına göre daha kararlıdır ve bu yüzden parçacık hızlandırıcılarda ve kozmik ışın deneylerinde gözlenmeleri daha kolaydır.

1934'te Hideki Yukawa teorik hesaplamaları sonucunda, atom çekirdeğini bir arada tutan nükleer kuvvetin taşıyıcısı olarak mezonun varlığı ve yaklaşık kütlesi hakkında öngörüde bulundu. Nükleer kuvvet olmasaydı, iki veya daha fazla proton içeren tüm çekirdeklerin, elektromanyetik itme sonucunda paramparça olması gerekirdi. Yukawa bu parçacığa Yunancada ortadaki anlamına gelen mesostan yola çıkarak mezon adını verdi. Çünkü mezonun öngörülen kütlesi elektron ile elektronun kütlesinin 1.836 katı olan protonunkinin arasındaydı. Yukawa başlangıçta parçacığı mesotron olarak isimlendirmişti, ancak bu isim daha sonra babası Münih Üniversitesi'nde Yunanca profesörü olan fizikçi Werner Heisenberg tarafından düzeltildi. Heisenberg Yunacadaki "mesos" sözcüğünde "tr" olmadığını belirtmişti.

Yukawa'nın mezonu için ilk aday, 1936'da Carl David Anderson ve diğerlerinin kozmik ışın ürünlerinde keşfettiği ve mü mezon (veya müyon) olarak isimlendirilen parçacık oldu. Mü mezonu, Yukawa'nın öne sürdüğü güçlü nükleer kuvvet taşıyıcısı olan parçacıkla hemen hemen aynı kütleye sahipti. Ancak on yılın üzerinde sürün çalışmalar sonucunda, mü mezonunun doğru parçacık olmadığı konusunda deliller bulundu. Sonrasında mü mezonunun güçlü nükleer kuvvetten hiçbir şekilde etkilenmediği bulundu. Bu parçacık elektronun biraz daha ağır olan hali gibi davranıyordu, sonunda da elektron gibi mü mezonu da mezon yerine leptonlar sınıfına dahil edildi.

İkinci Dünya Savaşı esnasında 1939–45 yılları arasında, çoğu fizikçinin savaş zamanı gereksinimlerine yönelik uygulama projelerine yönelmesiyle atomaltı parçacık araştırmalarına ara verildi. Ağustos 1945'te savaşın sonlanmasıyla fizikçiler de barış zamanındaki çalışmalarına geri döndü. İlk gerçek mezon olan pi mezonu (veya pion) 1947'de İngiltere'de Bristol Üniversitesi'nde kozmik ışın ürünlerini inceleyen Cecil Powell, César Lattes ve Giuseppe Occhialini tarafından keşfedildi. Daha sonraki birkaç yılda yapılan çalışmalar yaklaşık olarak doğru kütleye sahip olan pionun aynı zamanda güçlü etkileşimden de etkilendiğini gösterdi. Sanal bir parçacık olarak pion atom çekirdeğindeki nükleer kuvvetin birincil taşıyıcısıdır. Ro mezonu gibi diğer mezonlar da güçlü kuvvete iştirak ederler ancak bu iştirak diğerlerine kıyasla daha az ölçüdedir. Pionun keşfinin ardından Yukawa öngürüleri sebebiyle 1949'da Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.