Это замечательное открытие явилось результатом целой серии теоретических и экспериментальных исследований. Его историю можно начать с 1936–1937 гг., когда в дополнение к известным нам частицам — электронам, протонам, нейтронам, позитронам и нейтрино — физики открыли новую «элементарную» частицу, получившую название мезона (мезотрона). Масса мезона имеет величину, промежуточную между массами легкого электрона и сравнительно тяжелого протона. В 1946–1949 гг. на основании своих опытов академик А. И. Алиханов и член-корреспондент Академии наук СССР А. И. Алиханян пришли к заключению о существовании мезонов с различными массами. Так оно и оказалось. К настоящему времени открыта целая серия частиц такого типа, обозначаемых греческими буквами: μ (мю), π (пи), τ (тау), θ (тета) и т. д. Мезоны, открытые в 1937 г., называют теперь мю-мезонами; их масса превышает массу электрона примерно в 209 раз. Мезоны, называемые пи-мезонами, имеют массу, равную приблизительно 300 электронным массам.
Заряд мезона равен заряду электрона и бывает как отрицательный, так и положительный. В 1950 г. советские физики П. И. Лукирский и А. П. Жданов открыли первые нейтральные мезоны. Все мезоны по своей природе неустойчивы (нестабильны) и самопроизвольно распадаются подобно радиоактивным атомам. Их время жизни очень мало и составляет около 2 миллионных долей секунды (2∙10>-6 сек.) для мю-мезонов и около 25 миллиардных долей секунды (25∙10>-9 сек.) для заряженных пи-мезонов.
Первоначально мезоны были открыты в космических лучах, но теперь они получаются в лабораториях посредством «бомбардировки» различных веществ (бериллия, углерода, меди и т. д.) протонами и нейтронами больших скоростей.
Вскоре после открытия первых мезонов, в 1940 г., японские физики Томонага и Араки высказали предположение о том, что отрицательные мезоны после остановки в веществе могут захватываться электрическим полем какого-либо ядра на близкую к нему орбиту и в течение некоторого времени могут вследствие этого вращаться вокруг ядра, образуя так называемый мезоатом. Мезоатом — это своеобразный атом, в котором вместо электронов или наряду с ними вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательные мезоны.
Мезоатом водорода, например, мезоводород, состоящий из положительного ядра и вращающегося вокруг него одного отрицательного мезона, внешне подобен обычному водородному атому с одним электроном. Но в отличие от последнего мезоатом обладает рядом специфических особенностей. Первая и главная особенность — это близость мезона к ядру: радиус орбиты мезона в сотни раз меньше радиуса электронной орбиты. Отсюда вытекает вторая особенность — возможность захвата мезона ядром. Единственный электрон обычного водородного атома находится сравнительно далеко от ядра и никогда не захватывается им. Мезон же в мезоатоме может быть захвачен ядром раньше, чем он испытает самопроизвольный распад. В тяжелых мезоатомах, например, около половины своего времени жизни мезон проводит внутри ядра.
