纯粹由“力”构成的物质，中国科学家发现了！

在科幻小说《三体》中，三体人向地球派来了“水滴”飞船，在半小时内就歼灭了人类的太空武装力量。设定中，“水滴”的外壳由“强相互作用力材料”打造，强度比太阳系中最坚固的物质还要高百倍，人类完全无法破坏。

虽然这种材料只是科幻小说的想象，但“水滴”无疑是《三体》中最具代表性的元素之一，也让无数读者对强相互作用留下了深刻印象。

强相互作用是自然界四种相互作用之一，通过一种基本粒子——胶子来进行传递。理论预言，胶子不仅能在物质之间形成强相互作用、像胶水一样把物质粘合起来，还能直接发生相互作用，形成一种特殊的物质形态——胶球。

左：由夸克和胶子构成的核子 右：纯粹由胶子构成的胶球（均为艺术家效果图） （图片来源：维也纳工业大学）

物理学家对于胶球的寻找，已经持续了近半个世纪，却始终没有确认它的存在。而就在最近，依托北京正负电子对撞机和北京谱仪III（BESIII）实验中积累的数据，中国科学家领导的研究团队正式宣布，建立了证明胶球存在的完整证据链，证实了一类全新的物质形态——纯粹由“力”构成的物质的存在。

研究团队发表论文截图

连接粒子的“胶水”

分子、原子、电子，这些粒子大家都不陌生。在现代物理中，物质可以一层层拆分：分子由原子构成、原子由原子核和电子构成、原子核由质子和中子构成、质子和中子内部存在三个价夸克。

原子核结构示意图（图片来源：人教版《物理》教材）

不过，要构成我们看到的物质，仅仅有这些粒子还不够，粒子之间还必须存在相互作用。就像造房子，不能只有“砖”，还需要把砖连接起来的“水泥”。

自然界中，人类已知的相互作用有四种：强相互作用、弱相互作用、电磁力、万有引力。其中，强相互作用将夸克束缚在一起，形成质子、中子等粒子。强相互作用由一种媒介粒子——胶子来实现传递。顾名思义，胶子就像“胶水”，把夸克“粘”在一起。

质子（左）和中子（右）各含有三个价夸克 胶子（波浪状）在夸克之间传递强相互作用，将它们束缚在一起 （图片来源：Wikipedia）

完全由“力”组成的物质，有可能存在吗？

不过，如果说胶子是把夸克“粘”在一起的胶水，那么有没有可能胶水自己就能“粘成一团”呢？

关于夸克和胶子如何相互作用，物理学家专门发展了一套理论——量子色动力学（QCD）。这一理论预言，胶子带有“色荷”，这使得胶子之间能够直接产生相互作用并形成实体粒子，即纯由“力”构成的物质形态。物理学家将其形象地称为“胶球”（Glueball）。

色荷与人类看到的颜色无关。在量子色动力学框架下，色荷是夸克与胶子的一种特有性质。（图片来源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）

胶球是量子色动力学最重要、也最独特的预言之一。自从量子色动力学在上世纪70年代提出以来，物理学界对胶球的寻找从未停止。物理学家最先利用格点量子色动力学的方法，通过数值模拟手段，计算了一系列胶球的性质，比如标量胶球、张量胶球、赝标量胶球等，并给出了胶球的质量区间，比如最轻的赝标量胶球的质量大致位于2.3-3.0 GeV之间。这些理论计算为寻找胶球提供了重要方向。

寻找胶球，为什么这么难？

然而，在现实的粒子物理实验中，寻找胶球的难度超出了想象。

首先，胶球的寿命极短。物理学家并不能直接看到胶球的存在，只能通过探测器记录大量粒子碰撞后的衰变产物，重建出曾经存在的粒子，再从中找出胶球。

标量胶球的可能衰变方式之一：衰变为2个π介子 （图片来源：Wikipedia）

更大的问题在于，在胶球可能的质量区域，还有大量其他物质存在，比如夸克—反夸克粒子、多夸克态、混杂态乃至其他复杂结构，强相互作用还会促使它们相互转化。

因此，即使出现了一个陌生的粒子，也远远不能证明它就是胶球，物理学家必须必须建立一条完整的证据链：

• 粒子的质量必须落在理论预言的范围内；

• 粒子的自旋、宇称等量子属性要与胶球相符；

• 粒子应当容易在富含胶子的环境中产生；

• 粒子的衰变方式也要表现出胶球应有的特殊性质，例如不偏向某一种夸克的“味”。

只有这些彼此相对独立的实验线索同时指向一个答案，胶球的身份才能真正得到确认。

在过去几十年的多个高能物理实验中，物理学家发现了多个符合胶球质量区间的候选粒子，比如f0(1370)、f0(1500)等等，但都缺少衰变性质等完整证据，因此无法确定是否含有胶球成分。

北京正负电子对撞机：寻找胶球的理想“工厂”

对于寻找胶球这一难题，物理学家锁定了一个极理想的物理过程——J/ψ粒子的辐射衰变。

J/ψ粒子是一种由粲夸克和反粲夸克组成的粒子。在它发生辐射衰变时，内部的夸克和反夸克会发生湮灭，释放出个高能光子的同时产生胶子，形成富含胶子的环境；而伴随产生的光子又提供了一个清晰的实验标记，因此大大提高了找到胶球的可能性。长期以来，国际粒子物理学界把J/ψ衰变视为寻找胶球的“黄金场所”。

1974年，丁肇中和伯顿·里克特领导的两个实验团队几乎同时独立发现了J/ψ粒子。1976年，两人因此共同获得诺贝尔物理学奖。（图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory）

坐落于中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机，恰好提供了绝佳的实验条件。对撞机能够产生大量J/ψ粒子衰变事例，如同一座生产胶子的“工厂”，衰变产物最终由北京谱仪III（BESIII）进行探测和筛选。

北京谱仪III（BESIII）探测器（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

寻找胶球，正是北京正负电子对撞机数十年来持续关注的最重要科学目标之一。为此，中国物理学家开展了漫长的系统搜寻。

2011年，BESIII 合作组在J/ψ的辐射衰变数据中首次观察到一个质量约为2.37 GeV的新粒子，并将其命名X(2370)。它的质量恰好落在理论预言的最轻赝标量胶球的质量区间内。

J/ψ粒子辐射衰变为X(2370)粒子示意图（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

然而，仅仅质量“对得上”，还远远不足以确认这个新粒子就是胶球。在接下来的十多年时间里，BESIII 逐步积累了约100亿个J/ψ衰变数据样本，从中筛选出约5000个产生X(2370)的事例，对这一神秘粒子的认识也越发深入。

2024年，中国科学家首次精确测定了X(2370)的量子数JPC=0-+，这与理论预言的最轻赝标量胶球的量子属性完全符合。就像身份证号上的出生日期和最后四位都对上了，这进一步增加了X(2370)和胶球的联系。

不过，仅仅确定质量和量子数仍然不够，研究团队还验证了X(2370)的衰变模式。研究发现，X(2370)粒子的一些衰变特征与ηc粒子呈现出明显相似性，而后者正是主要通过胶子衰变产生；与此同时，X(2370)在已经测量的不同衰变模式中都没有出现一个异常强大的“主导通道”，各个分衰变宽度都比较小，这也符合理论对胶球的预期。中国科学家进而给出推断：X(2370)可能正是物理学家一直寻找的胶球。

味单态：关键拼图

要想检验X(2370)是否为胶球，还需要证明它是否具有胶球的一个关键性质：味单态。

在粒子物理的标准模型中，夸克共有6种，包括上、下、奇异、粲、顶、底夸克，每种夸克都有自己特有的“味”。胶子是传递强相互作用的媒介粒子，本身没有夸克的“味”，因此对于由胶子主导形成的胶球，它应当会表现出一种特殊的“味单态”性质，不会明显偏向某一种特定的轻夸克成分。

如此抽象的性质，如何转化为实验上可观测的结果？物理学家想到了一个非常巧妙的办法，那就是研究 X(2370)是否会衰变成 K∗(892)K。如果这一衰变过程被强烈抑制、K∗(892)K的产量极小，那就是味单态性质的有力证据。

BESIII利用约100亿个J/ψ事例进行了这一关键检验。分析结果显示，X(2370)→K∗K 衰变过程的信号显著性仅为 0.1σ，表明实验没有观察到这一衰变的证据。这一结果首次确定了X(2370)的味单态性质，为证明它的胶球身份补上了至关重要的一环。

至此，BESIII实验通过历时15年的一系列研究，支持一个清晰的结论：量子色动力学预言的最轻赝标量胶球是 X(2370)的主导成分。这为胶球的存在建立了系统而完整的实验证据链。

物质世界的新认识

胶球的发现不只是为物理学的粒子名单上增加一个新成员。在我们熟悉的现代粒子物理图景中，电子、夸克等粒子构成物质，而光子、胶子等粒子负责传递基本相互作用。如今，胶球的发现进一步拓展了粒子物理的图景：传递强相互作用的胶子，不仅能够束缚夸克，它们本身也能够相互作用并形成实体物质。人类对“什么能够组成物质”的认识又向前推进了一步。

同时，这一发现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。自2008年北京正负电子对撞机完成重大升级改造以来，BESIII探测器已累计采集超过100亿J/ψ事例，为此次发现提供了强大的数据支撑。

从北京正负电子对撞机把寻找胶球确立为重要科学目标，到 BESIII积累世界领先的J/ψ数据，再到X(2370)在2011年首次被发现、量子属性和衰变性质被逐步确定，最终形成完整的胶球证据链，这项成果背后是一场跨越数十年的科学接力。

这样的研究历程，也恰恰体现了基础科学的长期主义特点：在一个国际科学界长期关注的重大问题上作出原创性回答，需要的不只是某一位科学家的灵感，而是一整套成熟的科研体系，包括高水平的大科学装置、大规模计算和数据处理能力，以及一代又一代科研人员的接续努力。随着北京谱仪等大科学装置继续运行，以及未来更多新一代重大科研设施投入使用，中国科学家必将在粒子物理等基础科学前沿取得更大突破。

北京正负电子对撞机（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

审核专家

黄燕萍，中国科学院高能物理研究所研究员。

来源：科学大院

编辑：韶音

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