X(2370), la particella fatta di gluoni: BESIII chiude una caccia durata quasi 50 anni

Perché i glueball sono così importanti

La cromodinamica quantistica, o QCD, è la teoria che descrive la forza nucleare forte. I suoi portatori, i gluoni, hanno una caratteristica assente nei fotoni: possiedono la “carica di colore” e possono quindi interagire tra loro. Questa auto-interazione permette, almeno in linea di principio, che i gluoni si leghino formando particelle senza la presenza di quark .

La previsione risale ai primi anni Settanta. Quark e gluoni, però, non si osservano normalmente come particelle isolate: sono confinati all’interno degli adroni. Inoltre, un glueball può mescolarsi con mesoni ordinari che hanno gli stessi numeri quantici. Separare le due componenti è stato quindi uno dei problemi più difficili della spettroscopia degli adroni .

Come BESIII ha messo alla prova X(2370)

Il rivelatore BESIII ha utilizzato il più grande campione disponibile di eventi prodotti dal decadimento del mesone J/ψ: circa 10 miliardi di eventi raccolti al BEPCII. Questa quantità di dati ha permesso una dettagliata analisi delle onde parziali nel processo

J/ψ → γ Kₛ⁰Kₛ⁰η′.

L’analisi delle onde parziali consente di ricostruire come la particella si muove e decade, distinguendo le possibili combinazioni di spin e parità. Nel 2024 BESIII ha determinato per la prima volta per X(2370) i numeri quantici J^PC = 0⁻⁺, con una significatività statistica superiore a 11,7 sigma .

In termini semplici, lo “0” indica spin totale nullo, mentre la combinazione dei segni descrive le proprietà di parità e coniugazione di carica. È proprio la combinazione 0⁻⁺ prevista dai calcoli di QCD su reticolo per il glueball pseudoscalare più leggero . Il risultato è stato pubblicato su Physical Review Letters come “Editor’s Suggestion” .

Una massa compatibile con la previsione teorica

La massa misurata di X(2370) è:

2395 ± 11(stat.)^{+26}_{-94}(sist.) MeV .

Il valore cade nell’intervallo previsto dai calcoli di QCD su reticolo nella versione “pure gauge”, cioè considerando la dinamica dei gluoni senza quark dinamici, per il glueball 0⁻⁺ più leggero . La massa, da sola, non sarebbe sufficiente per dimostrare la natura della particella; insieme ai numeri quantici e ai decadimenti, però, rafforza notevolmente l’interpretazione.

Il comportamento da singoletto di sapore

Un glueball non contiene quark e, in prima approssimazione, non dovrebbe preferire un particolare sapore quarkico. Questa proprietà è chiamata comportamento da singoletto di sapore: la particella dovrebbe decadere in diversi stati adronici senza mostrare una marcata preferenza per i quark strani rispetto a quelli non strani .

BESIII ha osservato X(2370) in più canali, tra cui:

• π⁺π⁻η′;
• Kₛ⁰Kₛ⁰η′;
• Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰;
• ηπ⁰π⁰.

La distribuzione dei decadimenti in canali diversi è coerente con uno stato dominato dai gluoni e non con un mesone ordinario costituito principalmente da quark-antiquark .

Una particella osservata in più decadimenti

X(2370) fu osservata per la prima volta nel 2011 nel decadimento

J/ψ → γ π⁺π⁻η′.

In seguito la sua presenza è stata confermata in altri processi, tra cui decadimenti con kaoni e mesoni η′, oltre ai più recenti canali Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰ e π⁰π⁰η . Ritrovare la stessa risonanza in canali indipendenti riduce la probabilità che si tratti di un effetto accidentale o di un normale stato di quarkonio.

Perché si parla di “glueball-dominata” e non di particella pura

Nella fisica degli adroni, gli stati con gli stessi numeri quantici possono mescolarsi. Per questo gli esperimenti non cercano soltanto una particella “pura” fatta esclusivamente di gluoni: misurano piuttosto se le sue proprietà sono dominate dalla componente glueball prevista dalla QCD.

Un’analisi teorica dedicata, intitolata Lightest 0⁻⁺ Glueball as Dominant Constituent of X(2370), conclude che nella composizione di X(2370) prevale la componente del glueball pseudoscalare più leggero, mentre i contributi dei modelli convenzionali a quark risultano subdominanti .

La collaborazione BESIII ha illustrato il risultato alla Conferenza internazionale di fisica delle alte energie (ICHEP), svoltasi a Natal, in Brasile, nell’agosto 2026. L’annuncio arriva al termine di circa 15 anni di lavoro sperimentale sulla particella .

Cosa cambia per la cromodinamica quantistica

La possibile identificazione di X(2370) come stato dominato da un glueball ha conseguenze che vanno oltre la scoperta di una nuova risonanza:

• Verifica di una previsione fondamentale della QCD. Il risultato sostiene l’idea che i gluoni possano auto-interagire e formare stati legati, una conseguenza delle teorie di gauge non abeliane .
• Test per la QCD su reticolo. La concordanza tra massa e numeri quantici misurati e le previsioni teoriche mostra quanto questi calcoli siano utili per studiare il regime non perturbativo della forza forte, dove i metodi approssimativi tradizionali non bastano .
• Una nuova mappa degli adroni. X(2370) offre un punto di riferimento per cercare altri glueball, inclusi gli stati scalare 0⁺⁺ e tensoriale 2⁺⁺, e per comprendere meglio il loro mescolamento con i quarkonii .
• Un nuovo tipo di materia adronica. Quark e gluoni erano già stati scoperti o confermati indirettamente nel Novecento; questa è però la prima evidenza sperimentale diretta e consistente di particelle la cui struttura è dominata dai soli gluoni .

La ricerca non finisce qui

X(2370) è considerata la candidata principale al ruolo di glueball pseudoscalare più leggero. Il passo successivo sarà stabilire con ancora maggiore precisione quanto pesino le componenti gluoniche e quelle quarkiche, migliorare le misure dei decadimenti e cercare gli altri stati della famiglia.

BESIII e altri esperimenti continueranno così a esplorare lo spettro dei glueball e il confine, ancora complesso, tra particelle composte da quark e stati generati dalla forza forte che si lega a se stessa .