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Mésons

Comme les baryons, les mésons sont des assemblages de quarks, d'antiquarks et de gluons. Alors qu'un triplet de quarks définit l'état de valence d'un baryon, c'est une paire quark-antiquark qui joue ce rôle pour la plupart des mésons (voir plus bas les exceptions à cette loi). Les plus légers des mésons, appelés mésons π, furent imaginés en 1937 par le physicien japonais Hideki Yukawa comme véhicule de l'interaction forte entre les nucléons ; on les observa effectivement quelques années plus tard comme des particules fugitives produites dans les rayons cosmiques. Ces mésons π ont un spin nul et une masse sept fois plus petite que celle des protons. Ils apparaissent sous trois états possibles de charge : le π+ a la même charge que le proton, le π une charge opposée et le π0 une charge nulle. Les mésons ont une forte propension à interagir avec les nucléons et sont amplement produits dans les réactions nucléaires capables de libérer une énergie suffisante. De nombreux autres mésons furent découverts, en particulier les mésons ρ et ω dont le spin est égal à 1.

Lorsque le quark ou l'antiquark de valence est un quark s, (respectivement c ou b) on dit que le méson est étrange (respectivement charmé, beau). La théorie des groupes permet de regrouper les mésons en multiplets. On connaît actuellement plus de cent mésons (fig. 2).

Diagrammes représentant des multiplets de baryons

Dessin : Diagrammes représentant des multiplets de baryons

Ces deux diagrammes représentent les multiplets des 20 baryons de spin 1/2 (a) et de spin 3/2 (b), selon la classification issue de la théorie du groupe SU(4). L'axe vertical mesure le charme des baryons. Les baryons situés dans le plan inférieur sont les octets et les décuplets des... 

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Mésons ordinaires

Comme dans le cas des baryons, le modèle des quarks classifie les mésons les plus légers selon les représentations du groupe SU(3). Un état lié d'un quark et d'un antiquark (qui appartient à la représentation conjuguée notée 3) appartient à une représentation issue de la décomposition du produit des représentations, qui s'écrit : 3 × 3 = 8 + 1.

Les mésons se groupent ainsi en octets (8) et en singulets (1). Les mésons les plus légers sont ceux qui ont un spin nul (et un nombre quantique de parité négatif) : les mésons π et η, les mésons K et K. Ils ont un statut très particulier. On pense en effet qu'ils sont le reflet de la brisure spontanée d'une symétrie de la nature, la symétrie chirale qui associe deux composantes des champs de fermions, une composante dextrogyre et une autre lévogyre. Cette symétrie serait exacte à haute température (et donc aurait été réalisée à une époque proche de l'explosion primordiale), mais elle est brisée par un mécanisme dynamique responsable de la masse des quarks légers en même temps que de la masse de ces mésons. La faible masse des mésons π et, dans une moindre mesure, celle des mésons K, sont la trace de cette symétrie disparue.

Mésons charmés et charmonia

En novembre 1974, on identifie un nouveau méson (noté Ψ ou J/Ψ) aux propriétés surprenantes : sa grande masse (3 096 MeV soit plus de trois fois celle du proton) et sa relativement longue durée de vie montrent une étonnante diminution de l'intensité des interactions fortes responsables de sa désintégration spontanée. Très vite, on comprend qu'il est le signe de l'existence d'un quatrième quark – appelé charme et noté c – dont certains théoriciens avaient prédit l'existence. Ses caractéristiques et la découverte, quelques mois plus tard, de nombreux autres mésons lourds permettent de dresser un tableau convaincant des hadrons dont on dit qu'ils ont un « charme caché ou ouvert » : lorsque le quark et l'antiquark de valence d'un méson sont tous les deux charmés, ils forment divers états liés – appelés charmonia – dont la spectroscopie ressemble à celle d'un atome dont l'électron serait anormalement lourd. Une description non relativiste fondée sur l'équation de Schrödinger est alors justifiée en première approximation. Si le moment orbital relatif des deux fermions est nul, leur état lié peut avoir un spin égal à 1 – comme c'est le cas du méson ψ – ou un spin nul comme on le mesurera quelques années plus tard pour la particule ηc(2980). D'autres mésons notés χ0(3416), χ1(3510) et χ2 (3556), de spin 0, 1 ou 2, correspondent à des états liés avec moment orbital relatif non nul. Ces états correspondent, dans la terminologie adaptée à l'équation de Schrödinger à un nombre quantique principal unité (n = 1), mais des excitations sont possibles avec des nombres quantiques principaux n plus élevés et des états correspondants seront découverts : Ψ(2S)(3686) ou ηc(2S)(3638) pour n = 2, Ψ(3S), Ψ(4S) pour n = 3 ou 4. Les mésons « au charme ouvert » ont au contraire un quark de valence charmé et un antiquark de valence plus léger : ce dernier peut être du type ordinaire [...]

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Diagrammes représentant des multiplets de mésons

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Hadrons », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-hadrons/