找了半个世纪的胶球，到底是个啥

来源：科技日报

科技日报记者 陆成宽

如果有人说，世界上存在一种纯粹由“力”构成的物质，你大概会觉得不可思议。但在粒子物理的世界里，这不仅是理论预言，更是物理学家追寻了半个世纪的目标。

近日，北京谱仪Ⅲ（BESⅢ）实验国际合作组宣布，历经15年持续攻关，他们成功用完整证据链证实了胶球的存在。这是近50年来胶球寻找工作中最明确的实验证据，直接验证了“胶子能够自我结合形成新型物质”这一重大理论预言。国际学术期刊《科学》在报道这一突破时，称其为“基础物理纪念碑级的成就”。

那么，胶球到底是什么？找到它为什么如此重要？这条证据链又是如何一环扣一环建立起来的？近日，科技日报记者采访了成果主要完成人——南京大学教授金山和中国科学院高能物理研究所研究员黄燕萍。

一种由“力”构成的物质

要理解什么是胶球，得从原子核说起。它由质子和中子组成，质子和中子内部还有更基本的粒子——夸克。夸克之间通过胶子传递强相互作用力，把彼此牢牢束缚在一起。问题在于，胶子并不是安分守己的“黏合剂”。胶子在传递力的同时，也会彼此吸引、相互纠缠。

那么，一个自然的推论就是：胶子会不会把自己也束缚起来，形成一种独立的物质形态？这就是胶球。在描述强相互作用的量子色动力学中，胶球是一种完全由“力的传播子”构成的物质。正如黄燕萍所说，“胶球里既没有夸克，也没有电子，纯粹由传递力的胶子构成，是一种不同于传统物质的全新形态”。

正是这个“纯粹”，让寻找胶球变得意义非凡。最直接的意义在于，证实胶球的存在，就直接检验了量子色动力学。胶子之间的自相互作用，是这一理论的基石。胶球正是这种自相互作用最直接的产物：如果胶子真的会自相互作用，就应该存在胶球；如果一直找不到胶球，整个理论就会受到严重挑战。

更深一层，胶球拓展了人类对物质形态的认知边界。长期以来，人们认为物质归根结底由夸克、电子这类粒子组成，而胶球是一种完全由“力”本身构成的物质，这在人类认知中尚属首次。在金山看来，“这不是推翻了原来的认识，而是扩展了人类对物质形态的认知”。

此外，胶球能够进一步解释质量的起源。质量通常被归因于希格斯粒子——2012年发现的这个粒子解释了基本粒子的质量来源。但胶子本身没有质量，也不与希格斯粒子直接发生作用，然而它们形成胶球后，却拥有了约为质子2.5倍的质量。

这些质量从哪里来？“答案只能是强相互作用本身，它是自然界中另一个独立的质量来源。”金山说，“某种程度上，就构成人体和世间万物的质量而言，强相互作用的贡献可能比希格斯粒子还要多得多。”

一场旷日持久的寻找

早在20世纪70年代，理论物理学家就预言了胶球的存在；80年代，全球多个实验团队竞相投入，胶球研究一度成为粒子物理领域的热点方向。然而，数十年过去，始终没有一个候选者得到国际学界的公认。难在哪里？

“胶球和普通粒子之间会发生混合，一混合就把性质模糊掉了。”金山一语道破关键。胶球并非孤立存在，它会与质量相近的普通粒子发生量子混合，实验观测到的信号，往往是多种物质形态叠加的结果，极难分辨。黄燕萍对此深有体会：“你看到的是相互作用以后的结果，它里面可能包含了胶球自己的性质、其他物质的性质，还有物质之间相互作用的性质，很难从中把胶球本身的性质提取出来。”

更大的挑战在于，理论并未给出一个简单明了的判定胶球的标准。即便实验上清晰地看到了一个粒子信号，甚至测出了它的质量，也依然无法据此断定它就是胶球，必须综合量子数、衰变规律等多种性质加以甄别。

北京正负电子对撞机上的实验，在立项之初就把寻找胶球列为最重要的科学目标。“北京正负电子对撞机是寻找胶球的理想‘工厂’，能够大量产生J/ψ粒子，这种粒子的衰变过程被公认为寻找胶球的最佳途径。”黄燕萍说。

2009年，金山时任中国科学院高能物理研究所研究员，他指导博士生黄燕萍在分析BESⅢ获取的J/ψ粒子衰变数据时，首次在理论预言的胶球质量区间内发现了一个新粒子X（2370）。相关论文于2011年正式发表。当时，金山等人在论文中谨慎地写道，这个粒子“有可能是”胶球。“这是该质量区间内首个也是唯一一个候选者，因此一经公布便引起高度关注。”金山回忆。

不过，当时使用的衰变道干扰太大，实验上只能测定它的质量，无法测定这个粒子最关键的“身份证号码”——自旋宇称量子数。“一个粒子的量子数决定了它属于哪一类粒子，只有知道量子数，才能与对应类型的理论预言进行比对。”黄燕萍解释。

一条环环相扣的证据链

转机出现在2021年。经过近10年的努力，黄燕萍和团队终于找到了一个几乎不含干扰的新衰变道，由此获得了“干净”的信号。“有了‘干净’的信号，才有可能通过量子态干涉分析，逐一排除其他量子数可能性。”黄燕萍说。

随后，黄燕萍等人又花了3年时间进行精细分析，最终在2024年确定了X（2370）的量子数，结果与理论预言中质量最轻的那类胶球完全吻合。金山感慨道：“这是整个证据链条中最耗时的环节。”

量子数对上了，依然不能宣告胜利，还必须验证胶球具备“味单态”特征。在粒子物理中，“味道”是夸克的一种属性，不同“味道”对应不同类型的夸克。质子、中子等普通粒子内部含有多种“味道”的夸克；而胶球完全由胶子构成，不含夸克，因此不携带任何“味道”信息，物理学家称之为“味单态”。“这意味着，如果X（2370）真是胶球，那么它衰变时对各种‘味道’夸克应该一视同仁，不会特别偏向某一种。”黄燕萍说。

据此，理论预言了胶球特有的衰变模式。团队按照理论指引去寻找这些预言中的衰变道，结果两年内接连发现了3个新的衰变模式。金山说：“每一次发现，都像为胶球的判定补上一块拼图。”不过，找到预言中的衰变道，只能说明X（2370）的表现“像”胶球，还不足以证明它内部真的不含夸克。

验证的关键一步，是确认“一视同仁”是否真的存在。2024年，金山和中国科学院高能物理研究所研究员刘北江讨论时想到了一个反推的办法。他们的思路是：按照粒子物理守恒规则，如果一个粒子内部不含有任何特定“味道”的夸克，那么它在衰变时，有些衰变通道会被关闭；反过来，如果粒子内部含有某种夸克，那些因夸克守恒规则而被关闭的通道就应该畅通无阻。

实验结果显示，X（2370）确实没有出现在那些应该对不含有特定“味道”夸克的粒子关闭的通道中，支持它没有携带任何特定“味道”的夸克。这恰恰是胶球“味单态”该有的表现。

至此，BESⅢ实验用15年时间，构建起从质量、量子数到“味单态”的完整证据链，证实X（2370）就是物理学家寻找了近半个世纪的胶球。