X(2370): Derfor mener fysikere at partikkelen kan være en limkule

Flere egenskaper passer med en gluontilstand

BESIII fant også et mønster som er forenlig med en pseudoskalar limkule:

• X(2370) produseres betydelig i radiative (J/\psi)-henfall, som er et gluonrikt miljø.
• Partikkelen har flere nyobserverte hadroniske henfallskanaler.
• Henfallsegenskapene ligner på dem man ser for (\eta_c).
• De enkelte partialbreddene er smale.
• Radiative henfall som involverer (\omega) eller (\phi) er sterkt undertrykt. Slike henfall kunne ellers ha gitt tydeligere tegn på vanlig ikke-strange eller strange kvarkinnhold.

Hver av disse observasjonene kan i prinsippet ha andre forklaringer. Samlet blir de likevel vanskeligere å forklare uten en betydelig gluonkomponent.

Den nye testen: et henfall som ikke ble sett

Det mest diskriminerende nye resultatet var at BESIII ikke observerte henfallet
(X(2370)\to K^*(892)^0\bar K^0+\mathrm{c.c.}). Forskerne lette etter dette gjennom prosessen (J/\psi\to\gamma K_S^0K_S^0\pi^0), basert på de rundt 10 milliardene av registrerte (J/\psi)-henfallene.

BESIII satte en øvre grense på
[
\mathcal{B}[J/\psi\to\gamma X(2370)]\times
\mathcal{B}[X(2370)\to K^*(892)^0\bar K^0+\mathrm{c.c.}\to K_S^0K_S^0\pi^0] < 2,7\times10^{-6}
]
ved 90 prosent konfidensnivå.

Undertrykkelsen av denne (K^*\bar K)-kanalen peker mot at X(2370) er en smakssingulett – en tilstand uten en bestemt lett kvarksmak. Ifølge BESIII er dette den første lette hadronen over 1 GeV/(c^2) med en slik egenskap.

Dette er relevant fordi gluoner bærer fargeladning, men ikke kvarksmak. En limkule bør derfor være en smakssingulett og ikke oppføre seg som et vanlig meson bestående av for eksempel (u\bar u+d\bar d) eller (s\bar s). Den manglende (K^*\bar K)-signaturen gir dermed en skarpere test enn å sammenligne usikre forhold mellom ulike henfallsrater.

Hvorfor limkuler er viktige

I kvantekromodynamikken (QCD), teorien for den sterke kjernekraften, kan gluoner påvirke hverandre direkte. Det skiller dem fra fotoner i vanlig elektromagnetisme, som ikke har elektrisk ladning og derfor ikke samhandler med hverandre på samme måte.

En limkule ville være et direkte resultat av denne selvvekselvirkningen mellom gluoner. En sikker observasjon ville derfor teste en sentral forutsigelse i QCD – og vise frem en hittil unik type materie: en hadron som hovedsakelig består av kraftbærende bosoner, ikke kvarker.

Resultatet i Natal var høydepunktet etter rundt 15 års BESIII-arbeid med X(2370), som inngår i en internasjonal jakt på limkuler som har pågått i nærmere 50 år. Innsatsen bygger på flere generasjoner med teoretiske beregninger, utvikling av akseleratorer og detektorer, datainnsamling og analyse.

Den viktige forbeholdet

BESIIIs formulering er at X(2370) er dominert av den letteste (0^{-+})-limkulen – ikke at partikkelen med sikkerhet består av «bare gluoner». Samarbeidets analyse åpner for en mindre mulig (c\bar c)-komponent, men konkluderer med at en dominerende gluonkomponent gir den mest naturlige samlede forklaringen på massen, kvantetallene, produksjonen, henfallene og smakssingulett-egenskapene.

Det er nettopp denne sammenfallende bevisrekken, og ikke én enkelt måling, som gjør X(2370) til den sterkeste eksperimentelle kandidaten hittil for en limkule-dominert partikkel.