北京正负电子对撞机重大突破：BESIII发现胶球X(2370)，终结五十年物质新形态追寻

五十年胶球追寻之路

胶球是量子色动力学（QCD）——描述强相互作用的理论——的一个基本预言。早在20世纪70年代初，理论学家就意识到，胶子与光子不同，它们自身也携带强相互作用的色荷，因此可以彼此相互作用。这种自相互作用意味着，胶子相互结合形成不含任何夸克的粒子是可能的。

尽管夸克在20世纪60年代已被实验证实，胶子在70年代也被间接确认，但寻找纯粹的胶球却异常困难。挑战在于，胶球自然地会与具有相同量子数的普通夸克-反夸克介子混合，使得几十年来始终无法对其进行明确无误的探测。

BESIII如何确认X(2370)为胶球

BESIII合作组使用了世界上最大的J/ψ粒子衰变数据集——约100亿个事件——这些数据由北京正负电子对撞机II（BEPCII）采集。这一前所未有的样本量使得研究人员能够对衰变链J/ψ → γ Kₛ⁰Kₛ⁰η′进行详细的分波分析。

自旋宇称量子数 (0⁻⁺)

2024年，BESIII确定X(2370)的自旋宇称量子数为J^PC = 0⁻⁺，统计显著性超过11.7σ。这一测量至关重要，因为格点QCD此前一直预言，最轻的赝标量胶球就该具有这些量子数。该结果作为编辑推荐发表在《物理评论快报》上。

质量 (2395 MeV)

X(2370)的测量质量为 2395 ± 11(统计)^{+26}_{-94}(系统) MeV。这完全落在纯粹规范格点QCD计算所预测的最轻0⁻⁺胶球的质量范围内。

味单态行为 (Flavor-Singlet Behavior)

与普通介子不同，它们通常倾向于衰变为特定味道的夸克，而纯胶球应该对味道“一视同仁”。BESIII证实，X(2370)在包括π⁺π⁻η′、Kₛ⁰Kₛ⁰η′、Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰以及ηπ⁰π⁰在内的多个末态中“民主地”衰变。这种味单态特性——即该粒子拒绝优先耦合粲夸克——是胶球主导态的标志性特征。

多个衰变通道

该粒子最早于2011年在衰变过程 J/ψ → γ π⁺π⁻η′ 中被发现。随后在 γ K̄Kη′ 通道，以及最新的 γ Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰ 和 γπ⁰π⁰η 通道中，都观测到了同样的共振态，从而排除了将其解释为普通夸克偶素的可能性。

理论一致性

一项题为《最轻的0⁻⁺胶球是X(2370)的主要成分》(Lightest 0⁻⁺ Glueball as Dominant Constituent of X(2370)，arXiv:2607.20366)的严格分析得出结论，X(2370)以最轻的赝标量胶球成分为主，而普通夸克模型的贡献是次要的。BESIII合作组于2026年8月在巴西纳塔尔举行的国际高能物理会议（ICHEP）上宣布了这一结果，标志着15年实验工作的巅峰。

对量子色动力学的深远影响

X(2370)被确认为胶球，具有多个深远意义：

• 胶球的首次直接确认：这验证了非阿贝尔规范理论的一个核心预言——胶子可以通过自相互作用形成束缚态。
• 检验格点QCD：测量的质量和量子数与格点QCD计算结果高度一致，证实了这些计算方法能够可靠地预测非微扰QCD现象。
• 新谱学：为搜寻完整的胶球谱（标量、张量及其他态）打开了大门，有助于理解胶球如何与普通夸克偶素态混合，从而完善标准模型对强子物质的描述。
• 一种新型物质：夸克发现于20世纪60年代，胶子在70年代被间接确认，但这是首次在实验上确立由纯胶子构成的粒子——一种新型物质形态。

未来展望

X(2370)被认为是质量最轻的赝标量胶球。这一发现将激励物理学家们继续搜寻其他胶球态，例如标量胶球（0⁺⁺）和张量胶球（2⁺⁺），它们可能出现在不同的质量范围内。未来在BESIII及其他实验设施上的工作将继续探索胶球谱，深化对胶球-夸克偶素混合的理解，并为非微扰强相互作用QCD提供更严格的检验。