胶球现身记

来源：光明日报

如果把物质世界想象成一座可以不断拆分的房子，那么人类已经从分子走进原子，从原子走进原子核，再一路走进质子、中子和构成它们的夸克，直到把夸克紧紧“粘”在一起的胶子。但在这座“房子”最深处，还有一个问题困扰了物理学家近半个世纪：这种构成物质世界的基本粒子之一——胶子，会不会和自己“抱成一团”？

答案是：会。这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子，就是胶球。

近期，在围绕胶球发现举行的成果解读会上，中国科学院高能物理研究所所长曹俊开场就抛出了一连串问题：胶球究竟是什么？科学家为什么能够确认X（2370）就是胶球？这项持续了数十年的研究，有着怎样的经历？

预言近50年的粒子，为何如此难找

“我们从中学就知道，物质由分子、原子组成，原子里有原子核和电子，原子核里有质子和中子，质子和中子由夸克组成。”南京大学教授金山从大家熟悉的知识讲起。

他告诉记者，如果把夸克想象成一群需要被“拴”在一起的小球，胶子就像负责维持这种联系的绳子。但与普通的绳子不同，胶子自己之间也能发生作用。“因为强相互作用非常强，胶子可以把自己束缚在一起，形成束缚态，这就叫胶球。”金山说。

中国科学院院士王贻芳在解释这一概念时，曾给胶球取过一个比较形象的名字——“force particle”，也就是“力子”，希望用更直观的方式帮助公众理解这种特殊粒子。

和质子、中子不同，胶球内部没有夸克。金山介绍，胶球的质量完全来自胶子之间强烈的相互作用——“简单来说，研究胶球，也是在研究物质的质量究竟是怎么来的”。

科学家曾从理论上预言胶球的存在，但理论预言是一回事，实验中找到它又是另一回事。

为什么这么难？中国科学院高能物理研究所研究员黄涛打了个比方：寻找胶球，需要先找到合适的“生产车间”。而杰/普西粒子在衰变时，很容易产生科学家寻找的胶球候选者，因此长期以来一直被称为寻找胶球的“工厂”。

北京正负电子对撞机恰好能够大量产生这样的粒子。中国科学院院士、北京大学物理学院教授赵光达介绍，从20世纪80年代开始，北京正负电子对撞机就为胶球研究持续提供数据，“这些数据就像一座储量巨大的矿山，真正困难的是，怎么从其中把胶球挑出来”。

2011年，金山和团队在分析实验数据时，本来是在确认另一个粒子，却意外发现X（2120）和X（2370）两个新粒子。据金山描述，当时看到的只是实验数据中的一个“峰”，就像在人群中突然看到一个特别显眼的人影，知道“有人在这里”，却不知道究竟是谁。接下来要做的，就是把这个“人影”的身份查清楚。

而这一查，就是15年。

“峰”变成“胶球”，要闯过几道关

“发现新粒子只是第一步。”金山说，真正困难的是弄清楚这个粒子的各种“身份特征”。如果把粒子想象成一个人，那么科学家不仅要知道“这个人出现了”，还要继续核实其各种特征是否符合预期。

对于X（2370）来说，实验数据背后的情况非常复杂，大量其他粒子留下的信号混在一起，不同信号之间还可能互相影响，团队只得不断调整分析方法，反复寻找更加可靠的判断方式，直到2024年才最终确认，X（2370）具备一组与胶球预期相符的关键特征，并与此前理论研究的预测结果一致。

“但，这时候还不能说胶球找到了。”金山说，因为必须回答一个问题：有没有可能，X（2370）其实是另外一种粒子？

研究团队开始了漫长的排除法，并给X（2370）准备了几道“考题”。

第一道，是它不能表现出对某一种夸克特别“偏爱”。普通粒子往往会带有某些特定夸克的特征，但胶球是由胶子形成的，不应该偏向某一种夸克。研究团队为此设计了一种特殊的办法。最后，实验结果符合预期。

第二道，是它“怎么消失”。不同粒子的“离场方式”并不相同。胶球应该具有与普通粒子不同的衰变特征，而X（2370）表现出来的情况与这些预期相符。

第三道，则与光有关。赵光达介绍，胶球和光之间的联系很弱，因此可以通过X（2370）衰变时是否容易产生光子来判断其是否是胶球。为了把这些问题一一问清楚，中国科学院高能物理研究所围绕X（2370）组织过5次讨论会。现场不断有人提出疑问：这个结果还有没有别的可能？这个信号是不是也能用其他粒子解释？这样的解释到底站不站得住？对此，科研团队一一给出回应。

“我们之所以能最终确认，是因为把所有其他可能性都排除掉了。”王贻芳表示。

故事才刚刚开始

在现场科学家的记忆里，这15年的研究并不是一条平直的时间线，而是充满等待、争论和反复尝试的过程。

中国科学院高能物理研究所研究员黄燕萍参与胶球研究多年。2006年她来到高能所时，BESⅢ（北京谱仪Ⅲ，是北京正负电子对撞机上的大型通用磁谱仪）还处在升级阶段，导师就告诉她要寻找胶球。为了开展研究，团队前前后后准备了三四年。

2009年，终于等来第一批数据。“我特别激动，马上就跑了数据。”黄燕萍告诉记者，那天晚上，她和金山在办公室做分析，从晚上一直忙到早上7点，终于在屏幕上看到了3个峰。拿到结果后，两个人也没有休息，因为上午9点要赶火车去辽宁参加BESⅢ合作组会议报告最新结果。

那天看到的结果并没有立即成为答案。随后10多年，研究团队继续做新的分析，寻找更多证据。有学生因为课题太难，做了两年后便选择更换研究方向。

“这是一道50年的难题。”听黄涛讲，金山1992年做博士研究生时，就已经开始研究胶球。

“如果当时停止运行加速器，今天的结果就不会出现。”王贻芳把这项研究概括为几代人的接力——从老一辈科学家开始，到金山、黄燕萍，再到如今的年轻科研人员，一批又一批人接续研究。与此同时，加速器升级一次，探测器也经历两次升级。

不过，在众人眼中，故事才刚刚开始……

“理论上可能还存在其他类型的胶球，这一次确认的只是其中一种，科学家还希望继续寻找其他类型。”金山表示。

BESⅢ国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所研究员李海波透露，下一步将继续寻找其他胶球，同时推动北京正负电子对撞机进一步升级。

“亮度提高10倍以后，我们就能得到更多数据。”赵光达说，一些新的验证仍在进行，比如科学家希望从X（2370）更多的衰变过程中寻找新的证据——“有些过程背景很大，寻找起来并不容易，一旦观察到新的信号，就可以进一步检验目前的结论”。

那么，找到胶球，意味着什么？

在王贻芳看来，这项研究可以让科学家有机会继续追问：一个本身没有质量的胶子，为什么能够通过彼此之间的作用形成一个有质量的粒子？

“胶球的重要性并不在于它很快会变成一件可以拿在手里的产品，而在于它能帮助科学家进一步认识强相互作用，也为研究物质质量的来源提供新线索。”黄涛解释。

（本报记者 崔兴毅 本报通讯员 唐瑞裕）