新颗粒！是否是颗粒科学家期待已久的“胶球”？

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最近，北京正负电子撞击机北京谱仪 III 第一次测量合作组 X ( 2370 ) 粒子的量子状态特性与标准模型推测的“胶球”具有相同的质量、产生和衰变特性。理论上，“胶球”是一种只由胶子组成的无夸克束缚状颗粒，长期以来没有被实验发现。现在，X ( 2370 ) 会不会是人们发现的第一个“胶球”？

发文 | Ethan Siegel

翻译| 一根弦

在谈到粒子物理的标准模型时。（Standard Model）当时，大多数人会错误地认为标准模型已经被研究得非常深入和完全正确，没有更多关于其有效性的谜团。事实上，虽然标准模型经受住了过去直接测试对其提出的许多挑战，但仍有一系列问题需要回答。

物质世界的原子由质子、中子和电子组成，其中质子和中子由三个夸克组成——夸克通过传递强相互作用的胶体相互束缚，但这并不是束缚物质存在的唯一途径。

基于量子色动力学（QCD，理论上，至少有以下几种理论形成了夸克、反夸克和反夸克。 / 或者胶子束缚态的方法 [ 注 1 ] ：

• 重子（由 3 由一个夸克组成)或反重子(由 3 一个反夸克构成)；

• 介子(来自夸克) - 反夸克对构成)；

• 例如，四夸克态(2 个夸克和 2 个反夸克）、五夸克态（4 个夸克和 1 个反夸克或 1 个夸克和 4 反夸克)或六夸克态(6夸克态( 个夸克、3 个夸克和 3 一个反夸克，或者 6 一个反夸克)等；

• 仅由胶球组成的状态：没有价格夸克或反夸克，即所谓的胶球。（glueball） [ 注 2 ] 。

不久前，北京谱仪 III（BESIII）在《物理评论快报》中，合作组（Physical Review Letters）上面发表了一篇重要的论文。这篇论文声称：以前被标记为 X ( 2370 ) 在标准模型中，奇异颗粒可能是最轻的胶球。 [ 注 3 ] 。接下来，我们对这一观点进行了科学的解释，并解释了这一发现意味着什么。

如果你想在高能物理的世界里找到一个颗粒，仅仅在实验室里创造颗粒并在它周围建立一个探测器来观察它的衰变产物是远远不够的。这一方法的问题在于，在量子世界中，很少会出现初始条件得到单一确定性结果的现象。相反，我们只能预测一系列可能的结果概率，然后我们需要反复观察，以确定理论预测是否与实验观测一致。 [ 注 4 ] 。

上述做法在寻找标准模型理论推测的某些颗粒时尤为重要，特别是在某些特殊情况下，颗粒出现的频率非常低或只会出现。无论是基本颗粒还是复合颗粒，每个不稳定颗粒都有一系列的衰变模式(而不是一个)被规则允许，每个衰变路径的可能性都对应一个概率，这个概率被称为支系比例。（Branching fraction）。一般情况下，我们都会有这样的误解：以爱因斯坦著称。 E = mc ²，如果能量足够大，就可以产生相应的颗粒。事实并非如此：许多复合颗粒的存在只能依靠其它已知颗粒在大量产生和衰变后留下的特性来决定。

20 在世纪，标准模型逐渐建立起来:首先，人们发现原子由原子核和电子组成，然后发现原子核由较小的质子和中子组成，然后发现质子和中子可以进一步分为夸克和胶子。不久之后，我们确信除了上下夸克之外，还有更重、更奇怪、寿命更短的夸克。

• 1947 年，K 介子（Kaon）被发现。K 介里包含奇夸克（strange quark），可是 K 介子理论解释(包括介子) s 直到夸克的理论解释存在) 1964 这一年才建立起来。

• 首先是臧夸克（charm quark）随着 1974 年 J/ ψ 发现了粒子的发现。J/ ψ 两个团队单独发现了颗粒。一支由丁肇中率领的布鲁克海文实验室(丁肇中将其命名为" J "，由于 J 类似于姓氏“丁”的形状)，另一支队伍是与伯顿。 · 里希特（Burton Richter）斯坦福直线加速器中心领导（SLAC；按照粒子物理的命名传统，里希特将其命名为“ ψ "）。

• 随后的 1977 每年都有底夸克被发现（bottom quark）；第六种标准模型预测，也是最后一种夸克-顶夸克（top quark）于 1995 年被发现。 [ 注 5 ]

由这些更重、更奇怪的夸克或反夸克组成的颗粒基本上是不稳定的:它们会通过弱相互作用来改变内部夸克的类型。所有的颗粒，包括奇夸克、王夸克、底夸克或顶夸克，都不能长时间保持稳定；在很短的时间内，它会衰变和改变类型，然后过渡回能量低、重量轻、稳定的颗粒。

在粒子物理学中，粒子的产生或衰变都遵循一套完整的规则，这些规则决定了整个宇宙的运行模式。

• 能量守恒：要产生颗粒，首先要达到相应的能量值；

• 电荷、角动量和动量守恒以及其他量子属性守恒:不可能破坏这些守恒律来产生新的颗粒(或颗粒) - 反粒子对）；

• 自旋或内禀角动量守恒：从父粒到子粒的衰变路径严格符合相应的规则；

• “无色”组合：如果颗粒由夸克和胶子组成，强相互作用要求夸克和胶子的总色荷为零。

与其他相互作用相比，强相互作用和色荷的规则更为复杂。引力可视为只有一种类型的“荷载”(只有吸引力)，电磁相互作用可视为两种类型的“荷载”(正电荷和负电荷:同性电荷相互排斥，异性电荷相互欣赏)，而强核力则涉及第三种类型的“荷载”-色荷。每一种夸克都有一种颜色，每一种反夸克都有一种反色，每一种胶都有一种颜色。 - 反色搭配，但是所有存在的束缚态都必须是无色的。 [ 注 7 ] 。

在这样的规则下，令人惊讶的是，我们应该从无数种可能的组合中选择无色态作为可能束缚态的候选人:

• 颜色 - 反色搭配，例如：介子是由夸克组成的。 - 反夸克对组成；

• 颜色 - 颜色 - 颜色或反色 - 反颜色 - 反色搭配，比如重子或者反重子是由三个夸克或者三个反夸克组成的(关于为什么三个夸克或者反夸克可以组成无色状，请参考图中)；

• 以上两种组合仍然可以保持无色状态:只要“有色”和“反色”颗粒的数量相同或其中一种超过另一种类型的倍数。 三是可获得包括四夸克、五夸克、六夸克或更多夸克在内的无色实体；

• 只有胶体组成的东西。这种颗粒本质上携带颜色 - 反色搭配，不包括任何夸克或反夸克。

粒子物理学中很少讨论最后一个概率，因为它对应的实体胶球（glueball）不但从来没有在实验中找到过，而且对 20 对于世纪科学家来说，胶球属性的理论计算是一项艰巨的任务。

但在 21 在世纪，每个人都能做出这样的计算。区别在于，20 世纪科学家使用的唯一可靠的计算量子系统特性的技术是微扰法——通过计算越来越复杂的相互作用项(通常这些相互作用项是先进项)来获得越来越准确的数字。这种方法在量子电动力学中取得了巨大的成功(在量子电动力学中，相互作用强度随着距离的增加而降低，在低能量下有小耦合常数)，但在量子色动力学中却失败得一塌糊涂:由于强度随着距离的增加而增加，耦合常数也很大。 [ 注 8 ] 。

但是，随着高性能计算的出现，一个被称为格点量子色动力学的项目（Lattice QCD）新技术应时而生。通过将时间和空间视为一个非常小的固有间隔离散网格，我们可以对更大规模的现象进行理论预测——量子色动力学的约束，夸克 - 胶等离子体产生的条件，甚至是各种束缚状态的质量，等等。这种方法不仅可以计算质子、中子，还可以计算更重、更奇怪的束缚状态。也就是说，后退回上个世纪。 90 在时代，我们不能全面计算四夸克、五夸克和胶球的特性。如今，这种计算可以直接进行，结果可以保持在几个百分点的精度误差范围内。

按照理论计算，最轻的胶球状态应该具有这样的特点：假标量，总自旋。 0、电中性、奇宇表示，其静态质量介于 2.3 到 2.6 GeV/c ² 之间。如果你想在实验中尝试制备这种橡胶球，理想的方法是创造一个复合颗粒，质量略大于这个值，大量的橡胶和斌子会在衰变中产生。现代化技术能够轻松满足上述实验条件，J/ ψ 粒子衰变通常被认为是寻找潜在胶球状态的好选择。

每次产生一个 J/ ψ 大概有颗粒的时候 26% 衰变为光子的可能性(然后可能衰变为含有夸克颗粒或轻子) - 反轻对颗粒)，大概有颗粒) 64% 有可能衰变成三个胶，还有大约三个胶， 9% 衰变成一个光子和两个胶子的可能性很大，这些衰变大多是习以为常、完全理解的，但是，最轻的胶球的细微贡献可能会影响其中的一些衰变道。

具体而言，如果是一个 J/ ψ 颗粒衰变为：

• 一个光子；

• 一个 η ′颗粒；

• 一对 K 介子或一对 π 介子。

假如其中包含最轻的胶球状，η ′与 K/ π 测试数据中可能会出现正确的共振。

到目前为止，用于产生和研究。 J/ ψ 位于北京的正负电子对撞机——北京谱仪，颗粒最大的“工厂” III（BES III）。它于 2008 每年开始收集数据。仅第一年，BES III 就累积了约 2.26 亿次产生 J/ ψ 颗粒事件。截至 2023 到了年底，这个累计数量已经超过了 100 亿次。所以，即使是从这些衰变中产生的罕见事件和共振也是可以探测到的。在实验室里发现了一些奇怪的颗粒：一种叫做 XYZ 介质颗粒，是现在已知包含四夸克的奇异状态。

基于当前收集的数据，BES III 这个团队宣布确定 X ( 2370 ) 新型复合颗粒状态的存在，并且公布了其颗粒特性：

• 质量：2.395 GeV/c ²；

• 自旋：0；

• 分支比：0.000013 ；

(代表大约每一个 76,000 个 J/ ψ 在颗粒中就会衰变成包括 X ( 2370 ) 某一颗粒)

• 统计显著性高达 11.7 σ。

在粒子物理学中，出现超过 5 σ 显著性，代表结果只有结果。 0.00006% 这是一个偶然的统计机会，任何比这更明显的结果都超过了宣布真正找到的“黄金标准” [ 注 9 ] 。

最初公布的粒子质量为 2.370 GeV/c ²，它也叫它 X ( 2370 ) 的原因。最近的实验结果表明，其质量更加准确。 2.395 GeV/c ²，测试的不确定性为 0.011 GeV/c ²。同时，发表于 2019 2008年最新格点量子色动力学理论结果预测最轻的胶球。 2.395 ± 0.014 GeV/c ² 质量，这表明实验和理论之间出奇的一致性。另外，这个最新的实验首次测量 X ( 2370 ) 自旋和宇表示，这意味着这项研究在颗粒统计显著性和特性测量方面都远远超过了以往的实验。

现在所有的测试数据都表明：这颗粒很可能是迄今为止第一次被检测到的胶球，但是我们仍然需要谨慎。第一，以前发现的其它东西 X 介子，只涉及到夸克和反夸克的共振，而非胶球。其次，从 J/ ψ 在衰变中看到的 X ( 2370 ) 产生率有点太高，不符合胶球的理论解释，这个原因还在研究中。最终，对 X ( 2370 ) 负宇称与其假标量的理论预测(不是标量)确实一致，但这并不能作为确认其为胶球的确凿证据。

因为标准模型和量子色动力学理论预测胶球必须存在，所以这个测试的核心问题是胶球是否存在，以及是否存在。 X ( 2370 ) 观察是否足以判断它是胶球状态。这是迄今为止最稳定、最新的结果支持。 X ( 2370 ) 理解为潜在的胶球状态，因此，这个测试进一步成为标准模型的一个关键测试。同时，我们必须保持一种开放的态度：除非有关于这一点： X ( 2370 ) 可以充分解释产生率和支系比例的问题，否则， X ( 2370 ) 也许只是另外一种奇怪的状态，不仅仅是由胶子组成，比如四夸克态。

不管怎样，超越 100 亿次 J/ ψ 颗粒的衰变产生了数十万个颗粒 X ( 2370 ) 颗粒，如今已比以往任何时候都更精确地测量。 X ( 2370 ) 这种奇怪颗粒的特性。X ( 2370 ) 如今已是胶球——这一理论存在但从未被实验发现和证实的复合颗粒——最有说服力、最有趣的候选人。需要进一步的研究来决定 X ( 2370 ) 为了进一步确定其是否真的是胶球，颗粒的完整特性。假如自然界中没有胶球，那就意味着标准模型中有新的问题；如果胶球确实存在，X ( 2370 ) 也许是历史上第一个被发现的胶球。

译者注

[ 1 ] 所有受强相互作用影响的亚原子颗粒都被称为斌子，斌子由夸克、反夸克和胶子组成。在传统的夸克模型中，斌子分为重子和介子。但是量子色动力学允许更复杂的结构，例如多夸克态、胶球等奇特的斌子态。假如这一奇特的斌子态不存在，则意味着强相互作用的基本理论需要重大调整。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。上夸克 ( up quark ) , 带 2/3 e 下夸克的电荷（down quark），带 -1/3 e 所以质子可以被记录为电荷， uud, 正好带 e 电荷，中子记录下来 udd, 正好是电中性的。

[ 2 ] 在除胶球外的其他斌子状态(重子、介子、多夸克状态)中，胶子作为强大的传播子出现，即夸克像胶水一样被胶子“粘合”在一起。在胶球中，胶球不仅是强大的传播子，也是物质的基本组成部分。

[ 3 ] 文章在 2024 年 5 月 2 日发表在 Physical Review Letters 上：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.181901

[ 4 ] 这句话主要讲量子力学和经典力学的区别:在经典物理的世界里，给出一定的初始条件，结果一定是肯定的，也就是所谓的“机械决定论”；然而，在量子物理学的世界里，给出一定的初始条件并不能完全锁定结果，而只能计算出各种可能出现结果的概率，即所谓的“概率决定论”。

[ 5 ] 除上下夸克外，这里还分享了其它四种夸克的发现历史。科学家在标准模型中使用“味”（flavor）区分不同的夸克：上夸克 ( u ) 、下夸克 ( d ) 、粲夸克 ( c ) 、奇异夸克 ( s ) 、顶夸克 ( t ) 和底夸克 ( b ) 对应 6 品种“味”。每种口味的夸克也有相应的反夸克。

[ 6 ] 在历史上，正是 K 介子的两种衰变方式让科学家意识到，在弱相互作用下，宇称不守恒。这一发现最早是由李政道和杨振宁提出的，所以他们得到了。 1957 年度诺贝尔物理学奖。

[ 7 ] 对于强相互作用这一特殊特征，有一个特殊术语叫做“色禁闭” ( color confinemen；又称夸克禁闭 ) ，也就是说，所有的束缚颗粒都必须是零色核(可以相应地理解为“电中性”)。色禁的源头和机制是当今物理研究中最重要的基本问题之一。

[ 8 ] 这一独特的特征被称为“渐进自由”（asymptotic freedom），也就是说，当两个强相互作用的颗粒(如夸克)非常接近时，强相互作用非常微弱。相反，当两者之间的距离变远时，强相互作用变得非常强大。正是这种强大的特性使得原本在量子电动力学中非常成功的微扰法失效。

[ 9 ] 在粒子物理学测试中， σ 通常被认为是公布事件的标准。如果一个事件的统计显著程度超过 5 σ，这一事件基本上可以被认为是“真正发生的”。

本文经作者授权发表于《返朴》，原文翻译为 Ethan Siegel, New particle at last! Physicists detect the first " glueball "，https://bigthink.com/starts-with-a-bang/new-particle-first-glueball/。

译者简介

一根弦，中关村文理学院不是优秀学生。博士期间，主营业务发展原子核集体激发态理论，副业打听八卦新闻。因为皇都房价高，错信 IT 高薪传闻，误入码农队伍，逃离北京，来到卷都杭州。除了全职工作，他们在知乎都有“一根弦”和“一根弦”。 B 站在“一根弦肥二”的网名上挖掘和写作科学家，并以此为乐。

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