近五十年寻找胶球最明确结果：北京谱仪III实验证实全新物质形态
8月6日，中国科学院高能物理研究所披露，北京谱仪III（BESIII）实验国际合作组历经15年研究，建立了证明胶球存在的完整实验证据链。8月5日，该成果在巴西举行的国际高能物理大会（ICHEP）上以大会特别报告形式正式发布。
中国科学院高能所称，这是近五十年来寻找胶球最明确的实验结果，验证了胶子能够自我结合形成新型物质的理论预言，对于检验粒子物理标准模型具有重要意义。
胶球：唯一由"力"构成的粒子
要理解胶球，先回顾物质的微观结构。原子核由质子和中子组成，质子和中子由夸克（quark）组成。夸克之间通过胶子（gluon）传递强相互作用力，正如光子传递电磁力。
量子色动力学（QCD）——描述强相互作用的理论——给出了一个大胆预言：胶子自身带有"色荷"，因此胶子之间也能互相吸引，结合成一种全新的束缚态粒子，即胶球（glueball）。
胶球的独特之处在于：它是自然界中唯一完全由"力的传递者"构成的粒子。普通物质（质子、中子、介子等）都由夸克组成，而胶球内部没有夸克，只有胶子自我束缚。这一理论预言自20世纪70年代提出以来，实验物理学家已搜寻了近半个世纪，始终未能找到确凿证据。胶球到底存不存在，成为对量子色动力学至关重要的检验，也是长期悬而未决的重大科学问题之一。
15年证据链：从发现粒子到确证身份
北京正负电子对撞机（BEPCII）能大量产生J/ψ粒子。J/ψ粒子由粲夸克和反粲夸克组成，1974年由丁肇中和里克特各自独立发现，二人因此获诺贝尔物理学奖。J/ψ的辐射衰变过程胶子含量极高，是寻找胶球的最佳途径之一。在BESIII上寻找胶球，是该对撞机数十年来最主要的物理目标之一。
证据链的建立分三个阶段：
2011年——发现新粒子。 研究团队在J/ψ → γπ⁺π⁻η'衰变过程中发现新粒子X(2370)，质量约2.37 GeV/c²，疑似为胶球。后续在J/ψ → γKK̄η'衰变道中得到确认。
2024年——测定量子数。 利用100亿个J/ψ粒子样本，团队通过偏振波分析（partial wave analysis），首次测定X(2370)的自旋-宇称量子数为0⁻⁺（自旋为零，宇称为负）。这一结果与量子色动力学格点计算（lattice QCD）预言的最轻赝标胶球（pseudoscalar glueball）完全吻合。论文发表于《物理评论快报》（PRL），入选PRL 2024年度最重要的论文合集。
最新研究——味单态测定。 团队发现了X(2370)的多个新衰变模式：K⁰S K⁰S π⁰、π⁰π⁰η、a₀(980)π⁰，并首次测定其"味单态"（flavor-singlet）性质。"味单态"意味着该粒子不携带上、下、奇、粲等任何夸克"味"量子数。普通介子由夸克-反夸克对组成，必然携带某种味量子数；只有胶球这类纯胶子束缚态才可能是味单态。这是胶球区别于普通夸克束缚态最重要的特征。
三项证据指向同一结论
质量、量子数、味单态三项独立证据构建了完整的证据链。X(2370)的质量与格点QCD预言的最轻赝标胶球质量一致；其0⁻⁺量子数与赝标胶球的理论预言完全吻合；其味单态性质排除了普通夸克态的可能性。结论是：X(2370)的主要成分是赝标胶球。
这一发现是对量子色动力学非阿贝尔规范结构的直接检验。渐近自由的发现（2004年诺贝尔物理学奖）奠定了QCD在高能区的正确性，而胶球的存在为该理论在低能区的有效性提供了决定性验证。
大科学装置与国际合作
北京正负电子对撞机自2008年完成重大升级改造以来，北京谱仪III探测器已累计采集超过100亿个J/ψ事例，成为陶-粲能区（tau-charm energy region）无可争议的世界领导者。研究团队由南京大学金山教授和中国科学院高能物理研究所黄燕萍研究员共同领导。北京谱仪III实验国际合作组包含来自15个国家约96个研究机构的约700名科学家，聚焦陶-粲能区精密物理研究，在强子谱学、粲物理、陶物理和超出标准模型的新物理寻找等领域已取得一系列世界领先成果。
来源：新华社、中新社、中国科学院高能物理研究所、EurekAlert!（AAAS）