为何中国能率先找到“胶球”铁证？答案在北京地下30米

北京时间2026年8月6日，在巴西举行的国际高能物理大会上，出现了一个罕见的安排——一场“特别大会报告”被临时加入。站在讲台上的，是南京大学教授金山。他代表北京谱仪III（BESIII）国际合作组，向全球物理学界宣布：困扰学界近半个世纪的“胶球”，被找到了。

消息一出，台下震动，这是人们第一次发现一种由“力的传播子”构成的物质。

时间回到2011年，北京玉泉路，北京谱仪合作组发现了一个新粒子，命名为X(2370)，被认为是胶球候选者。然而，找到完整的证据链，科研人员用了15年。

北京谱仪III（BESIII）探测器。中国科学院高能所供图

寻找胶球

要理解胶球，得先从原子核说起。

人们周边的一切——桌子、手机，甚至我们的身体都是由原子组成的。原子中央有一个极其微小的原子核，它只占原子体积的万分之一，却几乎集中了原子的全部质量。

原子核由质子和中子构成。而质子和中子内部，还有更小的“积木块”——夸克。夸克之间靠胶子传递强相互作用力，胶子的名字来源于英语glue，它们就像胶水一样，把夸克“黏”在一起。

20世纪70年代，物理学家通过量子色动力学（QCD）理论提出了一个大胆的猜测：既然胶子之间有吸引力，它们能不能“抱团”形成一种纯由胶子构成的粒子，而没有任何夸克参与？这种“纯胶子团”，就被称为胶球。

然而，半个世纪以来，实验上一直未能找到胶球。胶球到底存不存在，是对量子色动力学理论至关重要的检验，也是一直悬而未决的重大科学问题之一。

北京地下，藏着理想的“胶球工厂”

J/ψ粒子的衰变过程被公认为寻找胶球的最佳途径之一。为捕捉胶球的踪迹，科研人员使用了两样利器：一座“粒子大炮”和一台“超高清相机”。

在北京玉泉路地下30米，北京正负电子对撞机的外形像一个巨大的羽毛球拍。它是我国第一台高能加速器，可以将正负电子加速到接近光速，以每秒上亿次的频率迎头相撞。北京谱仪III是运行在北京正负电子对撞机上的大型粒子物理探测器，重达700多吨，包裹在对撞点周围，像CT机一样记录每一次对撞产生的无数粒子的轨迹和能量。

当对撞能量精确调到30.97亿电子伏特时，就会大量产生J/ψ粒子。这种粒子由物理学家丁肇中于1974年发现，其衰变过程非常有利于胶球的产生，是寻找胶球的“理想工厂”。

“北京谱仪III已累计获取了100亿个J/ψ事例，为发现胶球提供了海量数据。”中国科学院高能所研究员、北京谱仪III合作组发言人李海波说。

大科学装置升级和五代科研人的接力

胶球的发现，不是某一个人的灵光一闪。在中国科学院院士、中国科学院高能所原所长王贻芳看来，这项成果背后，是五代科研人、两代加速器、三代探测器的接力。“大科学装置对于高能物理研究来说是必备手段，就像天文学家必须有望远镜一样。”

1957年到1983年间，加速器——北京正负电子对撞机（BEPC）曾经历“七上七下”的坎坷，最终于1988年建成。2004年升级后，BEPCII的亮度达到改造前的100倍以上，让中国在陶粲物理能区的研究继续保持世界领先。“如今一天的取数，是以往100天的取数”，中国科学院高能所所长曹俊说，探测器——北京谱仪历经两次升级，如今北京谱仪III国际合作者由来自15个国家的约700名科学家组成。

金山是五代科研人中承上启下的中坚力量，他与胶球的渊源可以追溯到20世纪90年代。两鬓斑白的中国科学院高能所研究员黄涛回忆说，他的老师朱洪元院士就参与过胶球研究，他的学生金山在高能所读博时致力于胶球课题，“30多年来，金山一直盯住这个问题”。2006年，黄燕萍来到中国科学院高能所，在金山的带领下花了三年多时间，搭建分析框架，为分析数据做准备工作。2009年，在分析J/ψ粒子衰变产物时，他们发现了三个新粒子。“当时我们通宵做拟合，早上7点拿到结果，9点就要赶火车去开合作组会汇报。”黄燕萍如今已是高能所研究员，回忆往事，语气里还带着当年做博士时的兴奋。

2011年，其中一个新粒子被命名为X(2370)，它的质量与理论预言的胶球一致，被高度怀疑是胶球候选者。但“怀疑”远远不够，团队要做的只有一件事：拿出铁证，证明它真的是胶球。

带学生后，黄燕萍发现，并非每个人都愿意走这条漫漫长路。有的学生直接婉拒了这个研究题目，觉得太难、用时太长。也有学生做了两年还是放弃了，他们面临毕业论文压力，要求换题目。所幸还有一批心无旁骛的年轻人，愿意把冷板凳坐热，张鹏就是其中之一。

2021年，他从一名转做其他题目的师兄手中接过了任务——测出X(2370)的自旋宇称量子数，这是确定其是否为胶球的关键一环，也是最难啃的“硬骨头”。“我没有想太多，不管它是不是胶球，就是一门心思地做。”张鹏说。

在高能物理实验中，信号往往淹没在大量“背景噪声”中，如同“在嘈杂的建筑工地听人轻声讲话”。测量的核心，是先通过层层筛选，尽可能排除“背景噪声”的干扰、挑出最“干净”的信号事例。这无异于“大海捞针”，面对100亿个J/ψ粒子事例，要靠写计算机程序来“淘金”。经过反复调整，团队最终挑出了约5000个“高纯度”候选信号事例，用于后续测量。但“淘”出这5000个事例还远没有到终点。接下来，面对这些事例复杂的质量和角度分布，团队要从中“辨认”出X(2370)的成分，并确定它究竟是什么量子数。困难的是，这些候选事例中究竟包含哪些成分，并没有唯一的“标准答案”：不同的成分组合都有可能在一定程度上描述实验数据，需要反复尝试、比较和检验，才能从众多可能的“解”中找到最可信的那一个。顶着毕业压力，张鹏一边做其他研究工作，一边死磕这个难题。

2024年，他们终于成功发表了测量结果——X(2370)的自旋宇称量子数被测定为0⁻⁺。这一关键量子数得到确认，进一步证明了X(2370)与理论预期的0⁻⁺胶球态的高度契合。

金山说，支撑大家坚持下来的，是对物理本身纯粹的兴趣。

15年，补齐完整证据链

曙光就在眼前，团队进入了冲刺期——每晚8点是雷打不动的例会，节假日无休，黄燕萍最忙碌的时候曾每天只睡4个小时。测出量子数后，还差最后一块拼图——“味单态”性质。

质子、中子等普通粒子都含有不同“味道”的夸克，如上夸克、下夸克、奇异夸克等，而胶球由纯胶子构成，不含“味道”的信息，属于“味单态”。

传统方法证明“味单态”，需要测量很多衰变道的分支比，工作量巨大，且由于测量误差较大，经常难以得到明确结论。金山和中国科学院高能所研究员刘北江在讨论中发现了一条“捷径”：如果某个特定衰变模式被“压低”，就说明它是味单态。按照这个思路，团队首次测出了X(2370)的又一项关键“身份特征”。

至此，一条完整的实验证据链全部闭合。中国科研团队用15年证实，X(2370)就是物理学家找了半个世纪的胶球。

在成果正式发布之前，团队组织了特殊的“考前模拟”，国内理论家联合讨论会，整整开了5次。参与讨论的，是来自北京大学、中国科学院理论物理研究所、中国科学院大学、兰州大学等国内多家机构的专家。中国科学院院士、北京大学教授赵光达说，从数据处理的每一个细节，到结论推导的每一步逻辑，全部摆到桌面上，接受专家“拷问”。特别值得一提的是，赵光达、黄涛和中国科学院高能所研究员陈莹等专家的多项胶球理论研究工作为BESIII实验的胶球寻找提供了理论指导和理论依据。

成果的推出，也要征得北京谱仪III（BESIII）国际合作组约700名国内外专家的同意。这意味着，成果的证据链必须经得起所有人的推敲，让人信服。合作组各种各样的讨论、质疑和帮助，最终对成果文章的打磨和成型起了非常重要的作用。

正是这种严苛的科学态度，才让成果经得起半个世纪的等待。金山透露，团队已将论文投稿给科技期刊，正在经历同行评审。美国《科学》杂志报道成果时，一位国际同行点评用了“在所有方框中打钩”（ticking all the boxes）的说法，意思是证明胶球存在的所有条件全部满足了。另一名国际同行评价“这一发现是基础物理纪念碑级的成就”。

近50年来，胶球寻找最明确的实验结果，不仅清晰地验证了“胶子能够自我结合形成新型物质”这一重大理论预言，也展示了北京正负电子对撞机在研究强相互作用方面的独特优势。

X(2370)只是胶球谱系中的第一个，理论上还存在不同质量和量子数的胶球。中国科学院高能所计划将BEPCII的亮度提高10倍，获取更多数据，寻找更轻或更重的胶球态。

王贻芳透露，中国科学院高能所正在计划对北京正负电子对撞机进行再升级，以便寻找胶球并且更清楚地研究胶球的衰变性质和结构。“北京正负电子对撞机的科学寿命至少还有10年以上。”王贻芳说。

新京报记者 张璐

编辑 白爽 校对 柳宝庆