Pourquoi X(2370) est considéré comme le meilleur candidat au glueball

La collaboration BESIII n’a pas présenté un « signal décisif » unique. Elle a plutôt réuni plusieurs observations indépendantes qui, prises ensemble, font de X(2370) le candidat le plus convaincant à ce jour pour le glueball pseudos scalaire le plus léger : un état hadronique dominé par des gluons, sans saveur intrinsèque de quark léger. Des physiciens indépendants ont jugé l’ensemble des indices « assez persuasif » et « très convaincant », tout en rappelant qu’aucune mesure ne constitue à elle seule une preuve irréfutable.

Une piste ouverte en 2011

X(2370) a été observée pour la première fois en 2011 dans la désintégration radiative riche en gluons (J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-\eta'), avant d’être confirmée dans d’autres canaux. Ces désintégrations du (J/\psi), qui produisent facilement des configurations riches en gluons, constituent un environnement particulièrement favorable à la recherche d’un glueball.

BESIII — une expérience installée auprès du collisionneur électron-positon de Pékin — a ensuite pu exploiter un échantillon d’environ 10 milliards de désintégrations du (J/\psi). Les chercheurs y ont isolé quelque 5 000 événements candidats associés à X(2370) dans les échantillons reconstruits pertinents. Cette statistique a rendu possibles des analyses détaillées des ondes partielles et des modes de désintégration, au-delà du simple signal initial.

La masse et les nombres quantiques correspondent aux prédictions

En 2024, une analyse en ondes partielles du processus (J/\psi\to\gamma K_S^0K_S^0\eta') a déterminé pour la première fois les nombres quantiques de X(2370) : (J^{PC}=0^{-+}), avec une significativité supérieure à 9,8(\sigma).

Cette combinaison — spin nul, parité négative et conjugaison de charge positive — correspond aux nombres quantiques attendus pour le glueball pseudos scalaire le plus léger. Sa masse, proche de 2,37 GeV, se situe également dans la plage d’environ 2,3 à 3,0 GeV prédite par les calculs de chromodynamique quantique sur réseau.

La chromodynamique quantique, ou QCD, est la théorie qui décrit l’interaction forte. Elle prévoit que les gluons, contrairement aux photons de l’électromagnétisme ordinaire, peuvent interagir entre eux. Des états liés composés principalement de gluons — les glueballs — seraient donc une conséquence directe de cette propriété fondamentale.

Des désintégrations compatibles avec un état gluonique

BESIII a également relevé plusieurs caractéristiques cohérentes avec cette interprétation :

• une production importante lors des désintégrations radiatives du (J/\psi) ;
• plusieurs modes de désintégration hadronique nouvellement observés ;
• des similitudes dans les désintégrations avec celles de l’(\eta_c) ;
• des largeurs partielles individuelles étroites ;
• une forte suppression des désintégrations radiatives faisant intervenir l’(\omega) ou le (\phi), qui auraient davantage signalé une composition ordinaire en quarks légers non étranges ou étranges.

Aucun de ces éléments n’est suffisant isolément. Leur intérêt vient du fait qu’ils dessinent tous un même portrait expérimental : celui d’un état qui ne se comporte pas comme un méson conventionnel composé principalement de (u\bar u+d\bar d) ou de (s\bar s).

Le test le plus discriminant : l’absence d’un canal (K^*\bar K)

Le résultat le plus récent et le plus révélateur repose sur la recherche du processus (X(2370)\to K^*(892)^0\bar K^0+\mathrm{c.c.}), étudié au moyen de la désintégration (J/\psi\to\gamma K_S^0K_S^0\pi^0).

BESIII n’a trouvé aucun indice de ce mode et a établi une limite supérieure de

[
\mathcal{B}[J/\psi\rightarrow\gamma X(2370)]\times\mathcal{B}[X(2370)\rightarrow K^*(892)^0\bar K^0+\mathrm{c.c.}\rightarrow K_S^0K_S^0\pi^0] < 2,7\times10^{-6}
]

à un niveau de confiance de 90 %.

Cette suppression est importante car elle indique que X(2370) est un singulet de saveur — le premier hadron léger de ce type observé au-dessus de 1 GeV/(c^2).

Les gluons portent une charge de couleur, mais pas de saveur de quark. Un glueball devrait donc être un singulet de saveur et ne pas présenter les mêmes désintégrations caractéristiques qu’un méson conventionnel. L’absence du canal (K^*\bar K) offre ainsi un test plus net que la simple comparaison de rapports de branchement, souvent difficiles à interpréter.

Une conclusion forte, mais formulée avec prudence

BESIII ne prétend pas avoir démontré que X(2370) est une particule parfaitement « pure », composée de gluons et absolument dépourvue de toute composante en quarks. La conclusion avancée est plus précise : la composante dominante serait celle du glueball pseudos scalaire (0^{-+}) le plus léger. L’analyse laisse même ouverte la possibilité d’une faible admixture (c\bar c).

Cette nuance est essentielle. Dans les hadrons, les états quantiques peuvent se mélanger, et les propriétés observées peuvent résulter de plusieurs composantes. L’hypothèse d’un glueball dominant est présentée comme l’explication la plus naturelle et la plus complète de l’ensemble des observations : masse, nombres quantiques, environnement de production, modes de désintégration et comportement de singulet de saveur.

Pourquoi cette annonce compte pour la physique

La mise en évidence d’un tel état apporterait un test direct d’une prédiction centrale de la QCD : la capacité des gluons à s’attirer et à se lier entre eux. Elle révélerait aussi une catégorie de matière hadronique inhabituelle, composée principalement de bosons qui transmettent une force plutôt que de quarks.

L’annonce présentée le 5 août 2026 lors de la Conférence internationale de physique des hautes énergies, à Natal au Brésil, couronne environ quinze années de travaux de BESIII sur X(2370), dans le cadre d’une recherche internationale des glueballs qui dure depuis près d’un demi-siècle. Cette avancée repose sur plusieurs générations de prédictions théoriques, de développement d’accélérateurs, d’exploitation du détecteur, de collecte de données et d’analyses.

Le bilan scientifique est donc particulièrement solide, mais il doit être décrit correctement : X(2370) constitue le meilleur exemple expérimental actuel d’une particule dominée par un glueball, et non une preuve absolue qu’elle ne contient littéralement aucun quark.