X(2370) : comment BESIII a relancé la quête du glueball

Pourquoi les glueballs sont-ils si difficiles à trouver ?

La QCD décrit la force qui lie les quarks au sein des protons, des neutrons et d’autres particules composites. Les gluons se distinguent toutefois des photons : ils portent eux-mêmes la « charge de couleur » associée à la force forte et peuvent donc interagir entre eux. En théorie, cette auto-interaction permet aux gluons de se lier sans quark .

Le problème est expérimental. Un glueball ne se désintégrerait pas nécessairement de façon isolée : il peut se mélanger avec des mésons ordinaires, eux-mêmes formés d’une paire quark-antiquark et possédant les mêmes nombres quantiques. Pendant des décennies, cette superposition a empêché d’attribuer sans ambiguïté une résonance à un état composé de gluons .

Les indices réunis par BESIII

BESIII — le spectromètre de l’expérience Beijing Electron Positron Collider II (BEPCII), exploitée par l’Institut de physique des hautes énergies de l’Académie chinoise des sciences — a étudié les désintégrations de particules J/ψ. La collaboration disposait d’un échantillon d’environ 10 milliards d’événements J/ψ, le plus vaste de ce type, permettant une analyse détaillée des ondes partielles dans la chaîne de désintégration J/ψ → γ Kₛ⁰Kₛ⁰η′ .

Une signature quantique compatible avec un glueball

En 2024, l’analyse a attribué à X(2370) les nombres quantiques de spin-parité-charge de conjugaison J^PC = 0⁻⁺, avec une signification statistique supérieure à 11,7 écarts-types . Le premier chiffre indique un spin total nul ; l’ensemble de la notation décrit les propriétés de symétrie de la particule.

Cette signature est particulièrement importante : les calculs de QCD sur réseau prédisent précisément un glueball pseudos scalaire le plus léger doté des nombres quantiques 0⁻⁺ . Le résultat a été publié dans Physical Review Letters avec la distinction « Editor’s Suggestion » .

Une masse dans la plage prévue

La masse mesurée de X(2370) est de 2 395 ± 11 (stat.) +26/-94 (syst.) MeV . Elle se situe dans la plage attendue par les calculs de QCD sur réseau en jauge pure pour le glueball pseudos scalaire 0⁻⁺ le plus léger .

Certains résultats antérieurs faisaient état d’une valeur proche de 2 360 MeV ; les analyses les plus récentes citées ici donnent 2 395 MeV avec les incertitudes indiquées. Dans les deux cas, la masse reste compatible avec les prédictions théoriques du candidat glueball.

Un comportement de singulet de saveur

Les mésons ordinaires peuvent privilégier certains contenus en quarks lors de leurs désintégrations. Un glueball, composé de gluons et non d’une saveur de quark particulière, devrait au contraire se comporter comme un singulet de saveur : aucune préférence nette pour les quarks étranges ou non étranges n’est attendue.

BESIII a observé X(2370) dans plusieurs états finaux, notamment π⁺π⁻η′, Kₛ⁰Kₛ⁰η′, Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰ et ηπ⁰π⁰ . Cette présence dans des canaux de désintégration distincts, sans préférence simple pour une saveur donnée, renforce l’interprétation d’un état dominé par les gluons .

Une résonance retrouvée dans plusieurs désintégrations

X(2370) avait été observée pour la première fois en 2011 dans la désintégration J/ψ → γπ⁺π⁻η′ . La collaboration l’a ensuite retrouvée dans d’autres processus, notamment avec des états finaux liés aux kaons et aux mésons η′, puis dans les canaux γKₛ⁰Kₛ⁰π⁰ et γπ⁰π⁰η .

La répétition du signal dans ces canaux indépendants, combinée à la mesure de ses propriétés de production, de masse et de désintégration, rend moins plausible l’hypothèse d’un simple état de quarkonium. Elle converge plutôt vers un état où la composante glueball est dominante .

Ce que cela change pour la physique des particules

Le résultat de BESIII ne signifie pas que X(2370) serait nécessairement une particule parfaitement « pure » : les états de glueball peuvent se mélanger avec des configurations quark-antiquark. Une analyse théorique consacrée à X(2370) conclut toutefois que la composante du glueball pseudos scalaire le plus léger y est dominante, les contributions du modèle conventionnel des quarks restant secondaires .

Cette conclusion a plusieurs conséquences importantes :

• Un test d’une prédiction centrale de la QCD. L’existence d’états liés formés par l’auto-interaction des gluons est une conséquence des théories de jauge non abéliennes. X(2370) fournit l’appui expérimental le plus direct obtenu jusqu’ici pour cette idée .
• Une validation des calculs sur réseau. La masse et les nombres quantiques mesurés sont cohérents avec les prédictions de la QCD sur réseau, une méthode numérique conçue pour étudier le régime non perturbatif où les interactions fortes ne peuvent plus être traitées par des approximations simples .
• Une nouvelle spectroscopie hadronique. Les physiciens peuvent désormais rechercher d’autres états, notamment des glueballs scalaires 0⁺⁺ et tensoriels 2⁺⁺, et mesurer plus précisément leur mélange avec les mésons ordinaires .
• Une meilleure compréhension de la matière hadronique. Les quarks ont été établis expérimentalement dans les années 1960 et les gluons indirectement confirmés dans les années 1970. L’identification d’un état dominé par des gluons ajoute une nouvelle catégorie à la spectroscopie des particules composites .

La quête est-elle vraiment terminée ?

X(2370) est aujourd’hui considéré comme le meilleur candidat au titre de glueball pseudos scalaire le plus léger. Mais la recherche ne s’arrête pas à cette identification : il faudra encore préciser la part exacte des gluons, quantifier le mélange avec les états quark-antiquark et confronter le signal à de nouvelles données.

Les futures analyses de BESIII et d’autres installations devront également cartographier le spectre complet des glueballs. L’enjeu est de vérifier si les états scalaires, tensoriels et autres apparaissent aux masses prévues et si leur organisation confirme, dans le détail, la description de la force forte par la QCD .