Fisica nucleare e subnucleare/I mesoni K

Negli anni quaranta, una volta individuata la particella di Yukawa, si pensava che il quadro delle particelle che costituiscono la materia fosse concluso: si pensava infatti di conoscere i costituenti del nucleo e dell'atomo, nonché il mediatore della forza forte. Studiando i raggi cosmici, con un esperimento condotto sulle Alpi si scoprì (con la solita procedura, ossia lo studio di emulsioni) che in realtà nella radiazione cosmica esiste un'altra particella, con massa di circa 500 MeV. Più o meno in contemporanea negli USA si scoprì che una particella con massa simile decade in diversi pioni. All'epoca i tipi di tracce presenti nelle camere vennero divisi in due categorie

• $\mathbf {V}$: una particella carica che decade in un'altra particella carica e delle particelle neutre. Questo tipo di particelle erano dette particelle $\theta$ (la particelle neutre sono invisibili perché non ionizzano l'emulsione);
• $\mathbf {V_{0}}$: una particella neutra decade in due particelle cariche. Questo tipo di particelle erano dette particelle $\tau$ (come prima, le particelle neutre sono invisibili).

Ci volle una decina d'anni per capire che $\theta$ e $\tau$ sono in realtà la stessa particella che decade in modo diverso: questa particella è il mesone $K$. Ovviamente, può essere carico (con carica positiva o negativa) o neutro: c'è insomma un'intera famiglia di mesoni $K$. Qualche anno più tardi si osservò che c'era sempre una produzione associata di particelle instabili, ossia i $K$ non sono "singoli" (in processi del tipo $\pi \longrightarrow \mu$, invece, si vede una sola traccia isolata). Studiando dettagliatamente le tracce dei $K$ si notò che questi venivano sempre prodotti in coppie con altre particelle, che però non avevano sempre le stesse caratteristiche; queste particelle, che hanno massa leggermente maggiore di quella del $K$ e decadono in nucleoni e pioni, sono dette iperoni. Studiando gli iperoni, si notò che si comportano in modo "strano" rispetto ai pioni, i nucleoni, i $\mu$ e in generale le altre particelle allora note; le loro stranezze erano principalmente due:

• sono prodotte in coppie,
• sono prodotte molto "velocemente" (tipico dei processi regolati dall'interazione forte), ossia la loro sezione d'urto è molto grande, ma il loro decadimento è "lento", ossia hanno vite medie molto lunghe (tipico dei processi regolati dall'interazione debole)

Non si era mai vista fino ad allora una differenza fra il modo in cui una particella è prodotta e quello in cui decade. Nishima e Geldman proposero la seguente spiegazione: la differenza osservata è dovuta a un nuovo numero quantico $S$, finora ignorato, detto stranezza; si tratta di un numero quantico additivo (come la carica), e l'idea è che questo si conservi nelle interazioni forti. Se per ora ad esempio poniamo uguale a +1 la stranezza dei mesoni $K$, mentre 0 quella delle particelle "normali", allora considerando il processo:

$\pi ^{-}+p\longrightarrow K^{0}+\Lambda ^{0}$

si vede bene perché le particelle devono essere prodotte in coppia: lo stato iniziale ha stranezza nulla e quindi anche quello finale deve avere $S=0$ (se supponiamo che la stranezza si conservi nel processo), pertanto oltre al $K^{0}$, che è una particella strana, dovrà essere prodotta anche un'altra particella (in questo caso $\Lambda ^{0}$) con stranezza $-1$. Se però consideriamo il decadimento di un mesone $K$, ad esempio $^{0}\longrightarrow \pi ^{+}+\pi ^{-}$, vediamo che la stranezza non è conservata (è 1 nello stato iniziale e nulla in quello finale): il decadimento dei mesoni $K$ è dunque dovuto a un'interazione diversa da quella forte, ed è proprio per via della violazione della conservazione della stranezza che il loro decadimento è molto lento. Per riassumere, le caratteristiche principali dei mesoni $K$ sono:

	carica	stranezza	massa	vita media
K+	+1	+1	494 MeV	12 ps
K0	0	+1	498 MeV	???
K0	0	-1	498 MeV	???
K-	-1	-1	494 MeV	12 ps

(vedremo poi perché la vita media del $K^{0}$ e del ${\overline {K}}^{0}$ non è definibile). Per concludere, abbiamo bisogno anche della stranezza per caratterizzare completamente una particella, oltre a tutti gli altri numeri quantici.