没有夸克，也能造出一个粒子？中国团队找到了关键证据

最近，物理学圈出了一件大事。在国际高能物理大会上，中国主导的北京谱仪 III（BESIII）国际合作组宣布：他们确证 X(2370) 是一种以胶球成分为主的粒子，而胶球已经被预言了半个多世纪[1]。消息一出，圈内的兴奋程度和圈外的困惑程度大概是一样高的。

图：北京谱仪Ⅲ（BESⅢ）探测器

其实物理学家现在隔三差五就发现新粒子。比如 2013 年 BESIII 发现四夸克态候选者 Zc(3900)，2015 年 LHCb 发现五夸克态，2021年又发现了寿命奇长的双粲四夸克态。那这到底是一次发现新物种的小小炒作，还是一次夯实基础物理的努力成果？看完本文，也许你会对它，也对世界的基本构成有一次新的认识。

我先用一句话的比喻来说明这次的不同。上面这些新粒子基本只是给“粒子动物园”添了几只新动物。也可以把这些粒子比作房子——它们是用“砖头”（夸克）以不同方式砌出来的房子，有四块砖的、五块砖的都用水泥胶连在一起。但理论上，水泥自己也应该能造房子。所以纯胶球就可以比喻成是一座不用一块砖，纯用“水泥”（传递力的胶子）盖起来的房子。如今发现的 X(2370)，则是一座以这种“水泥结构”为主的房子。但这房子从“设计”（假设）到如今基本封顶，已经过去了五十年，如果你想细听这个故事，那我就要从五十年前说起。

五十年前的假设

先从一个普遍的认知错误说起。中学课本给我们的世界图景是套娃式的：物体由分子组成，分子由原子组成，原子里有电子和原子核，原子核里有质子中子，质子中子里有夸克。一层套一层，最里面总有个“好似实心的小东西”。这个图景在最后一层出了问题。夸克确实存在，但它们被宇宙中最强大的力——强相互作用——死死绑在一起，永远不能单独出门。负责传递这种力的粒子叫胶子，你可以把它想象成夸克之间的绳子。

关键的反常在这里：与光子不同，胶子会直接而强烈地与同类相互作用。比如传递电磁力的光子——日常生活中的两束手电筒光交叉穿过，基本互不影响，各走各的。但胶子不一样：它自己也带着强相互作用的“荷”（物理学家管它叫色荷，跟颜色没关系，纯粹当个代号即可）。

打个比方。电线可以给电器输送电流，但电线本身是绝缘皮包着的，两根电线放在一起相安无事——这是光子。现在想象一种奇怪的电线，它的表面自己就带电：这种电线之间会互相吸引、互相缠绕，根本不需要连接任何电器，扔一把在地上，它们自己就能缠成一个线团。这就是胶子。

于是从上世纪七十年代起，物理学家开始严肃讨论一个大胆的推论：既然胶子能互相拉扯，那一群胶子会不会自己抱成一团，形成一个不含任何夸克的粒子？1972 年，盖尔曼和弗里奇在奠定强相互作用理论（量子色动力学）时，就指出了这种“纯胶子束缚态”的可能性；1975 年，弗里奇和明科夫斯基正式研究了这类粒子的性质[4]。它后来得到了一个形象的名字：胶球（glueball）——一团纯粹由“力”凝结成的球。

假设提出来了，但最难的其实是验证。2011 年，科学家在北京正负电子对撞机产生的海量数据里，发现了一个可疑的新粒子，编号 X(2370)，质量约 2370 兆电子伏——大概是两个半质子那么重。2024 年，合作组测出了它的自旋宇称等关键“身份证信息”，与理论计算预言的最轻赝标量胶球高度吻合，这项成果还入选了《物理评论快报》的年度亮点[2]。

解释一下“最轻赝标量胶球”这个拗口的词。理论预言胶球不止一种，就像房子有平房和楼房。按自旋和宇称（可以理解为粒子“照镜子”时的表现）分类，有“标量胶球”“赝标量胶球”“张量胶球”等好几个家族。X(2370) 的身份证信息，正好对上了“赝标量”这个家族里最轻的那一个——理论算出它该有多重，实验测出来的质量正好落在预言范围内。但光对上身份证还不够。

麻烦在于，有些普通粒子也可能长着一模一样的身份证。一个由夸克和反夸克组成的普通介子，完全可能碰巧具有相同的自旋宇称和相近的质量。所以在2024 年之前，学界的态度是“高度疑似”而非“确证”——就像警方抓到一个嫌疑人，身高体重都对，但不能排除只是长得像。2026 年 8 月宣布的新结果，补上的正是排除环节：合作组测量了 X(2370) 的多个新衰变模式，发现它表现出所谓“味单态”性质，这是胶球的重要特征。典型的普通介子通常会暴露出对某类衰变产物的偏爱。多条独立证据交叉指向同一个结论，普通介子等其他解释被进一步排除，这才支持合作组宣布 X(2370) 是一个胶球成分占主导的粒子[1]。

当然，在物理学里，“确证”不等于“盖棺定论”。X(2370) 仍可能混入普通粒子的成分（物理学家管这叫“混合”），学界还需要更多交叉检验。但目前它是半个多世纪以来最接近“实锤”的胶球候选者。

验证为什么那么难？

因为胶球是粒子界的“伪装大师”。

先说一个背景，像胶球这样的重粒子，寿命极短——强相互作用既然是最强的力，它拆起东西来也最快，这类粒子诞生后大约一亿亿亿分之一秒内就会衰变成更轻、更稳定的粒子。所以没有任何探测器能“看到”胶球本尊，科学家只能通过它留下的衰变产物，相当于案发现场的指纹和脚印来反推它的身份。

麻烦的是，胶球的质量和某些普通介子非常接近。介子是由一个夸克和一个反夸克配对组成的粒子，是粒子动物园里数量最庞大的族群之一。胶球混在一堆介子里，质量差不多，衰变产物也容易混淆，就像你要找的人长了一张大众脸。

破案的关键指纹叫“味单态”。夸克有好几种“味道”（上、下、奇异等等），典型的普通介子由特定夸克组成，衰变时往往会偏爱某些产物，像除了通缉犯以外的人都是平民，他们有的来自四川，有的来自无锡，于是他们点的菜有的辣菜比例特别高，有的则噬甜如命。而理想的纯胶球肚子里没有夸克，像一个皇帝在吃饭，没有菜会被连续吃，所有的菜都得“雨露均沾”。BESIII 这次测到的，正是这种重要特征[1]——虽然皇帝长了大众脸，但口味出卖了他。

这也解释了为什么这事发生在中国。不是因为皇帝，而是因为北京正负电子对撞机（简称BEPC）几乎是“独一无二”的。注意，BEPC并不是“遥遥领先”——论能量和规模，欧洲核子中心的大型强子对撞机远在其上。事实上，现代高能物理是国际协同的分工体系，各家装置各有所长：有的追求最高能量去撞出新粒子，有的追求最高亮度去做精确测量。BEPC恰好工作在最适合“批量生产”J/ψ 粒子的能区，积累了 100 亿个 J/ψ 事例。而 J/ψ 的衰变正是胶球最理想的诞生地。

北京正负电子对撞机，图源：中国科学院

以上听不懂也没关系，总之记住，找胶球这件事，全世界目前就这台装置最趁手。这就好比挖冰激凌吃，最有效率的肯定不是用最大的那个勺子，因为很可能挖不动。所以要根据冰激凌的软硬程度，拿最适合的勺子。

与其说物质能变能量，不如说物质就是能量

胶球最深刻的意义，是逼我们重新回答“物质是什么”。

一个常见的误解：质子的质量来自它内部三个夸克。实际上，按照一种常用的质子质量分解方案，夸克质量项约占 9%，其余九成左右来自夸克和胶子的运动、相互作用以及量子反常等贡献[3]。

提到 E=mc²，大多数人的第一反应是“物质可以转化为巨大的能量”，仿佛物质是保险柜，能量是里面锁着的钞票。但质子的账本告诉我们，这个理解可以倒过来：与其说物质能转化为能量，不如说我们所说的物质质量，绝大部分体现为系统内部的能量。你站上体重秤，读数的绝大部分并非来自那些轻飘飘的基本“砖头”，而来自构成你身体的质子和中子内部无数微型风暴的能量——所以，爱因斯坦的公式不是只在描述某种罕见的转化，也在描述你此时此刻的日常。

而胶球把这件事推到了极致：理论上的纯胶球主要由胶子场及其相互作用产生质量，连通常意义上的夸克“砖头”都省了。不是先有一个“东西”再产生力，而是力场本身的一种能量状态，直接站出来当了一回“东西”。

物质和力是我们从小就分得清清楚楚的概念：石头摸得着，力只能感受。但在量子场论的图景中，两者有了共同的底层语言：量子场的不同激发方式。电子是一种场的激发，光子是另一种场的激发，胶球则像是强相互作用场自己给自己打的一个结。

尾声：一个等了 54 年的预言

1972 年写下“胶球”预言的两个人，如今都不在了。盖尔曼，夸克的命名者，2019 年去世；弗里奇，量子色动力学的奠基人之一，2022 年去世。他们在纸上推演出“力可以自己凝结成物质”的那一年，北京正负电子对撞机还要再等 12 年才开工建设，而最终在数据里认出 X(2370) 的那些年轻物理学家，大多还没有出生。

这就是基础科学的探索尺度：一个人在黑板上写下一个大胆的想法，然后由另一片大陆上、另一代人，用几十年的耐心去兑现它。很多时候，预言者看不到答案揭晓，验证者也无法和预言者对谈——但那道题，就这样跨越四海的风、跨越半个世纪、跨越生死被接力做完了。

这正是一曲人类科学文明的赞歌。如果你也同意，欢迎转发。

*注：文中“砖头与水泥、带电的电线、挑食的食客”等比喻是为帮助理解而进行的简化。为更方便多数人理解，它们均在一定程度上忽略了一些严谨细节，仅供理解参考。

参考资料

[1] BESIII合作组于2026年8月国际高能物理大会（ICHEP）宣布X(2370)是胶球成分占主导的粒子；参见合作组相关报道与声明。

[2] BESIII Collaboration, “Determination ofSpin-Parity Quantum Numbers of X(2370)”,Physical Review Letters132,181901 (2024)；该文入选PRL年度亮点。

[3] 质子质量分解受理论定义和重整化方案影响。Y.-B. Yang et al.,Physical Review Letters121,212001 (2018) 给出的一种分解中，夸克质量项约占9%，其余来自夸克能量、胶子场能量和量子反常等贡献。

[4] H. Fritzsch, M. Gell-Mann, “CurrentAlgebra: Quarks and What Goes with It” (1972) 中提出色单态胶子束缚态的可能；H. Fritzsch, P. Minkowski (1975) 系统讨论了此类“胶子态”。“glueball”一词随后在文献中通行。