一种消失50年的理论粒子，被中国科学家“撞”出来了

如果说质子和中子是由夸克组成的，那么还有一种更加奇特的可能：有没有一种粒子，里面根本没有夸克，只有传递强力的胶子？

理论上，它应该存在。

这种由胶子彼此束缚形成的粒子，被称为“胶球”。它是量子色动力学预言的一种特殊物质形态，也是物理学家寻找了近半个世纪，却始终没有真正“抓住”的目标。

如今，这个寻找过程可能终于迎来了一个关键突破。

在巴西举行的国际高能物理学会议上，北京正负电子对撞机上的BESIII实验合作组公布了一系列最新研究结果。他们认为，粒子X(2370)内部最主要的成分，很可能就是一种赝标量胶球，其自旋宇称为0⁻⁺。

如果这一判断最终得到进一步确认，那么人类将距离真正发现胶球迈出极其重要的一步。

事情要从强力说起。

我们知道，组成质子和中子的夸克并不是自由存在的，它们被一种非常强大的基本相互作用牢牢束缚在一起。这就是强相互作用，而传递这种作用的基本粒子，就是胶子。

胶子的地位有点像电磁相互作用中的光子。

但两者之间存在一个极其重要的区别。

光子本身不携带电荷，因此两个光子之间不会像带电粒子那样直接形成强烈的自相互作用。而胶子不同，它们本身携带一种叫“色荷”的量子属性，因此胶子之间可以相互作用。

这就带来了一个非常奇特的结果。

理论上，既然胶子可以彼此吸引，那么它们就有可能像夸克组成质子和中子一样，自己抱团形成一种新的复合粒子。

这就是胶球。

换句话说，普通物质中的质子和中子，是夸克在强相互作用下形成的束缚态；而胶球，则可能是胶子自己形成的束缚态。

它的特殊之处就在这里。

它不是由物质粒子组成，而是由传递基本力的粒子组成。

如果把这一点放在整个粒子物理学的框架里看，胶球的重要性就更加明显了。

现代粒子物理学的标准模型中，强相互作用由量子色动力学，也就是QCD描述。QCD告诉我们，胶子不是简单的“传话筒”，它们本身也参与强相互作用。

因此，如果自然界真的存在稳定或准稳定的胶球，那么它就是QCD最直接、最特别的产物之一。

问题是，理论上说得通，实验上却一直找不到。

过去大约50年里，世界各地的物理学家一直在寻找胶球的踪迹，但一直没有哪个候选粒子能够让所有证据同时令人信服。

原因并不难理解。

胶球并不是一个安安静静待在那里等着科学家拍照的粒子。它产生以后很快就会衰变成其他粒子，实验人员只能通过它留下来的衰变产物，反过来推测它曾经存在过。

更麻烦的是，自然界中还有很多由夸克组成的普通强子，它们可以拥有与胶球非常相似的质量、自旋和衰变方式。

这就像在犯罪现场发现一个脚印。

你知道有人来过，但这个脚印到底属于谁，并不能只看大小就确定。

因此，寻找胶球几十年来一直存在一个核心问题：

我们看到的这个粒子，到底真的是胶子组成的胶球，还是一个普通的夸克粒子？

这正是X(2370)进入物理学家视野的原因。

2011年，BESIII实验在J/ψ粒子的衰变过程中发现了一个新的粒子，后来被命名为X(2370)。

当时，物理学家并不能直接宣布它就是胶球。

但它的质量和一些性质，让人们产生了兴趣。

接下来的十几年里，BESIII合作组不断积累数据，试图弄清楚这个粒子到底是什么。

2024年，一个关键进展出现了。

研究人员利用大约100亿个J/ψ粒子的庞大数据样本，第一次确定了X(2370)的自旋宇称为0⁻⁺。

这个数字看起来很普通，但对于寻找胶球来说却非常重要。

因为理论计算早就给出了一个预测。

利用晶格量子色动力学，也就是通过数值计算研究QCD强相互作用，理论物理学家预测，最轻的赝标量胶球应该具有0⁻⁺的自旋宇称，而它的质量也与X(2370)非常接近。

这意味着X(2370)同时满足了两个重要条件：

质量对得上。

自旋宇称也对得上。

但这还不够。

因为一个粒子的质量和自旋宇称都与理论预测一致，并不能证明它就是胶球。

真正关键的证据，还要来自它的衰变方式。

这一次，BESIII又向前推进了一步。

研究人员发现了X(2370)此前未知的几种衰变模式，并进一步确定了一个非常重要的性质：它具有“味单态”特征。

这里的“味”不是我们平时吃东西时说的味道，而是粒子物理学中的“夸克味”，包括上夸克、下夸克、奇夸克等不同种类。

对于一个真正由胶子组成的胶球来说，它并不应该天然偏爱某一种夸克味道。

胶子本身不属于这些夸克味道，因此胶球在衰变时表现出的“味”结构，与普通由夸克组成的粒子存在明显区别。

这也是判断一个粒子究竟是不是胶球的重要线索。

而BESIII的最新研究，正是在X(2370)身上找到了这种特征。

于是，一条越来越完整的证据链开始形成：

X(2370)的质量符合赝标量胶球的理论预测；

它的自旋宇称为0⁻⁺；

它的衰变方式符合胶球预期；

更重要的是，它表现出了胶球最关键的味单态性质。

这些证据叠加起来，使研究人员得出了一个相当明确的判断：

X(2370)中的主要成分，很可能就是赝标量胶球。

注意这里的措辞。

科学家说的是“胶球成分占主导”，而不是简单宣布“X(2370)就是一个纯粹的胶球”。

这两句话并不完全一样。

在真实的量子世界里，粒子之间可能发生混合。一个看起来像胶球的状态，可能同时包含一定的夸克成分；一个普通介子也可能与胶球态发生混合。

因此，科学家真正想确定的是：X(2370)究竟是不是以胶子束缚态为主的粒子。

目前的结果已经让这个答案越来越接近“是”。

如果最终得到充分确认，那么它的重要性远远超过“发现了一个新粒子”。

因为物理学家真正想验证的是一件更基础的事情：

胶子究竟能不能自己组成物质？

QCD之所以如此特别，是因为它与我们熟悉的电磁理论存在一个根本区别。

电磁相互作用属于阿贝尔规范理论，光子之间没有这种强烈的自相互作用。

而QCD属于非阿贝尔规范理论，胶子之间可以相互作用。

正是这个结构，让夸克和胶子形成了我们今天看到的质子、中子以及整个强子世界，也让胶球成为理论上必然应该出现的一类特殊物质。

如果实验最终确认胶球存在，那么它实际上是在用自然界本身告诉我们：

QCD关于胶子自相互作用的核心预测是正确的。

这也解释了为什么物理学家寻找了近半个世纪。

发现胶球，并不只是给粒子物理学的“粒子名单”增加一个新成员，而是对强相互作用理论在低能区域的一次关键检验。

过去，人们已经通过渐近自由等重要实验结果确认了QCD的理论基础。可是，在低能尺度下，强相互作用变得极其复杂，夸克和胶子被牢牢束缚在强子内部，许多理论预言很难直接验证。

胶球恰好提供了一个特殊窗口。

如果能够确认它的存在，就等于直接证明胶子不仅可以传递强力，还能够通过自身的相互作用形成一种全新的复合物质。

这是一种过去从未被人类直接确认过的物质形态。

而X(2370)之所以如此重要，就是因为它可能正是这个等待了几十年的答案。

当然，科学不会因为一组漂亮的数据就停止追问。

接下来还需要更多实验，从不同的衰变道、更多数据样本以及其他实验设备中继续验证X(2370)的性质。

但无论最终结论如何，这项工作已经让胶球从一个长期存在于理论计算和实验猜测中的神秘对象，走到了一个前所未有的位置。

我们过去以为，构成世界的基本粒子无非就是夸克、电子、光子以及其他一些熟悉的成员。

现在，物理学家正在逼近一种完全不同的可能：

宇宙中可能存在一种粒子，它不是由构成物质的夸克组成，而是由传递基本力的胶子自己组成。

如果X(2370)最终被确认具有胶球主导性质，那么这将意味着，人类第一次真正看见了“力的媒介粒子组成的物质”。

而这可能只是一个开始。

因为一旦胶球被确认存在，物理学家就不得不继续追问：自然界究竟还有多少种这样的“胶子世界”？它们的内部结构是什么？它们为什么会形成？又会以什么方式衰变？

这些问题的答案，或许会让我们重新认识强相互作用，也可能打开粒子物理学中一扇此前一直紧闭的大门。

参考文献：

[1] BESIII Collaboration, Observation of X(2370) and study of its properties in J/ψ decays, Physical Review Letters, 2024.

[2] Chinese Academy of Sciences, X(2370) emerges as glueball-dominated particle in collider experiments, 2026.

[3] Morningstar C., Peardon M., The Glueball Spectrum from an Anisotropic Lattice Study, Physical Review D, 1999.

[4] Gross D. J., Wilczek F., Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories, Physical Review Letters, 1973.）