物理学家终于发现胶球了？新证据指向"是"

北京谱仪三期（BES III）实验的物理学家发现了令人信服的新证据，证明所谓"胶球"的存在。胶球是一种由纯胶子构成的神秘复合粒子，早已被量子理论所预言。相关研究结果上月以预印本形式发布于arXiv，并于上周在国际高能物理大会（ICHEP）上正式报告。

我们周围所有可见物质，都由夸克通过胶子（强核力的传递粒子）结合而成，形成质子和中子，构成每个原子的核心。2012年发现的希格斯玻色子曾被广泛视为粒子物理标准模型最后一块缺失的拼图。然而，许多问题仍悬而未决，其中包括胶球究竟是否存在。如果标准模型正确，胶球就应该存在——它是量子色动力学（即强核力理论）的直接预言，甚至应该存在多种类型的胶球。

正如科学作家马修·弗朗西斯2015年所指出的：胶球与希格斯玻色子一样，都是物质获得质量的重要原因之一。希格斯玻色子是遍布宇宙的"希格斯场"的体现，夸克、电子等基本粒子通过与该场的相互作用获得质量。与此不同的是，质子和中子的大部分质量并非来自夸克本身，而是来自将夸克束缚在一起的"胶"。胶子正是这种"胶"的来源。尽管胶子本身没有质量，但将质子内部一切物质束缚在一起所涉及的能量极为巨大，根据质能方程E=mc?，大量能量以质量的形式体现出来。没有胶子，质子根本不会存在。而胶子还有另一个特性：它们不仅与夸克相互作用，彼此之间也会相互吸引。这意味着理论上存在一种完全由胶子构成、不含任何夸克的粒子——这就是胶球。

在纷繁复杂的亚原子粒子世界中，与胶球搜寻最为相关的是1974年发现的J/ψ粒子——一种由一个粲夸克和一个粲反夸克构成的介子。当J/ψ粒子衰变时，会产生大量胶子和被称为强子的复合粒子，因此物理学家长期以来认为，这是寻找胶球信号的最佳实验环境。根据天体物理学家伊森·西格尔的说法，一个粒子要被视为胶球候选体，必须具备零自旋、无电荷、奇宇称等特性。

BES III实验是一台专门设计用于研究J/ψ粒子以寻找胶球特征的正负电子对撞机。升级后的对撞机于2008年开始采集数据，一年内便记录了超过2.26亿个事件。目前最有希望成为最轻胶球态的候选粒子是2011年在BES III上发现的X(2370)粒子，其质量最初测量为2.370 GeV/C?，略低于晶格量子色动力学理论预测的2.395 GeV/C?。

到2024年，记录的事件数量已超过100亿个J/ψ粒子。如此庞大的数据量使得实验在统计上更有可能捕捉到罕见事件和奇异态，如XYZ介子和四夸克态，以及大量的X(2370)粒子，从而能够以前所未有的精度测量其性质。

BES III物理学家最终得到的质量预测值为2.395 GeV/C?，与胶球的理论预测高度吻合。其自旋和宇称也与量子色动力学的预测相符。尽管如此，这仍不足以明确宣布首个胶球的发现——但这已是迄今为止关于胶球存在最有力的实验证据，而这一次的最新结果更进一步。

最新研究对X(2370)的多个此前未曾报道的衰变模式进行了分析，结果表明X(2370)是一种"味单态"粒子，即它不与上、下、奇等任何特定夸克味相关联。这一关键实验线索有力支持了该粒子主要由胶子构成的判断（合作团队估计其成分约90%为胶子）。这意味着X(2370)符合胶球的三项主要预测特性，BES III团队认为这已构成完整的证据链。

卡内基梅隆大学粒子物理学家科林·莫宁斯塔（未参与该研究）对《科学》杂志表示："这是一项实验上的重大胜利，是迄今为止胶球主导成分粒子存在于自然界中最有力的证据。"下一步，其他研究团队需要独立验证这一结果——或许可以在中国拟建的超级τ-粲装置（STCF），或在美国布鲁克海文国家实验室正在建造的电子-离子对撞机上进行验证。目前，BES III是唯一专门用于搜寻胶子的装置，因此独立确认可能还需要一段时间。

Q&A

Q1：胶球是什么？为什么物理学家要寻找它？

A：胶球是一种完全由胶子构成、不含任何夸克的复合粒子。胶子是强核力的传递粒子，它们之间可以相互吸引，理论上能形成胶球。胶球的存在是量子色动力学（强核力理论）的直接预言，也是粒子物理标准模型的重要组成部分，因此物理学家长期致力于寻找它存在的实验证据。

Q2：X(2370)粒子为什么被认为是胶球的有力候选？

A：X(2370)粒子符合胶球的三项主要预测特性：零自旋、无电荷、奇宇称。最新研究还发现它是"味单态"粒子，与任何特定夸克味无关，且其成分约90%为胶子。此外，实验测量的质量值2.395 GeV/C?与晶格量子色动力学理论预测完全吻合，BES III团队认为这已构成完整的胶球证据链。

Q3：BES III实验是什么？它是如何寻找胶球的？

A：BES III（北京谱仪三期）是一台位于中国的正负电子对撞机，专门设计用于研究J/ψ粒子。J/ψ粒子衰变时会产生大量胶子，是寻找胶球信号的理想环境。该实验自2008年升级后开始采集数据，到2024年已记录超过100亿个J/ψ粒子事件，庞大的数据量使得对罕见粒子态的精确测量成为可能。