証實膠球的存在，就直接檢驗了量子色動力學。膠子之間的自相互作用，是這一理論的基石。膠球正是這種自相互作用最直接的產物：如果膠子真的會自相互作用，就應該存在膠球﹔如果一直找不到膠球，整個理論就會受到嚴重挑戰。

如果有人說，世界上存在一種純粹由“力”構成的物質，你大概會覺得不可思議。但在粒子物理的世界裡，這不僅是理論預言，更是物理學家追尋了半個世紀的目標。

近日，北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）實驗國際合作組宣布，歷經15年持續攻關，他們成功用完整証據鏈証實了膠球的存在。這是近50年來膠球尋找工作中最明確的實驗証據，直接驗証了“膠子能夠自我結合形成新型物質”這一重大理論預言。國際學術期刊《科學》在報道這一突破時，稱其為“基礎物理紀念碑級的成就”。

那麼，膠球到底是什麼？找到它為什麼如此重要？這條証據鏈又是如何一環扣一環建立起來的？近日，科技日報記者採訪了成果主要完成人——南京大學教授金山和中國科學院高能物理研究所研究員黃燕萍。

一種由“力”構成的物質

要理解什麼是膠球，得從原子核說起。它由質子和中子組成，質子和中子內部還有更基本的粒子——夸克。夸克之間通過膠子傳遞強相互作用力，把彼此牢牢束縛在一起。問題在於，膠子並不是安分守己的“黏合劑”。膠子在傳遞力的同時，也會彼此吸引、相互糾纏。

那麼，一個自然的推論就是：膠子會不會把自己也束縛起來，形成一種獨立的物質形態？這就是膠球。在描述強相互作用的量子色動力學中，膠球是一種完全由“力的傳播子”構成的物質。正如黃燕萍所說，“膠球裡既沒有夸克，也沒有電子，純粹由傳遞力的膠子構成，是一種不同於傳統物質的全新形態”。

正是這個“純粹”，讓尋找膠球變得意義非凡。最直接的意義在於，証實膠球的存在，就直接檢驗了量子色動力學。膠子之間的自相互作用，是這一理論的基石。膠球正是這種自相互作用最直接的產物：如果膠子真的會自相互作用，就應該存在膠球﹔如果一直找不到膠球，整個理論就會受到嚴重挑戰。

更深一層，膠球拓展了人類對物質形態的認知邊界。長期以來，人們認為物質歸根結底由夸克、電子這類粒子組成，而膠球是一種完全由“力”本身構成的物質，這在人類認知中尚屬首次。在金山看來，“這不是推翻了原來的認識，而是擴展了人類對物質形態的認知”。

此外，膠球能夠進一步解釋質量的起源。質量通常被歸因於希格斯粒子——2012年發現的這個粒子解釋了基本粒子的質量來源。但膠子本身沒有質量，也不與希格斯粒子直接發生作用，然而它們形成膠球后，卻擁有了約為質子2.5倍的質量。

這些質量從哪裡來？“答案只能是強相互作用本身，它是自然界中另一個獨立的質量來源。”金山說，“某種程度上，就構成人體和世間萬物的質量而言，強相互作用的貢獻可能比希格斯粒子還要多得多。”

一場曠日持久的尋找

早在20世紀70年代，理論物理學家就預言了膠球的存在﹔80年代，全球多個實驗團隊競相投入，膠球研究一度成為粒子物理領域的熱點方向。然而，數十年過去，始終沒有一個候選者得到國際學界的公認。難在哪裡？

“膠球和普通粒子之間會發生混合，一混合就把性質模糊掉了。”金山一語道破關鍵。膠球並非孤立存在，它會與質量相近的普通粒子發生量子混合，實驗觀測到的信號，往往是多種物質形態疊加的結果，極難分辨。黃燕萍對此深有體會：“你看到的是相互作用以后的結果，它裡面可能包含了膠球自己的性質、其他物質的性質，還有物質之間相互作用的性質，很難從中把膠球本身的性質提取出來。”

更大的挑戰在於，理論並未給出一個簡單明了的判定膠球的標准。即便實驗上清晰地看到了一個粒子信號，甚至測出了它的質量，也依然無法據此斷定它就是膠球，必須綜合量子數、衰變規律等多種性質加以甄別。

北京正負電子對撞機上的實驗，在立項之初就把尋找膠球列為最重要的科學目標。“北京正負電子對撞機是尋找膠球的理想‘工廠’，能夠大量產生J/ψ粒子，這種粒子的衰變過程被公認為尋找膠球的最佳途徑。”黃燕萍說。

2009年，金山時任中國科學院高能物理研究所研究員，他指導博士生黃燕萍在分析BESⅢ獲取的J/ψ粒子衰變數據時，首次在理論預言的膠球質量區間內發現了一個新粒子X（2370）。相關論文於2011年正式發表。當時，金山等人在論文中謹慎地寫道，這個粒子“有可能是”膠球。“這是該質量區間內首個也是唯一一個候選者，因此一經公布便引起高度關注。”金山回憶。

不過，當時使用的衰變道干擾太大，實驗上只能測定它的質量，無法測定這個粒子最關鍵的“身份証號碼”——自旋宇稱量子數。“一個粒子的量子數決定了它屬於哪一類粒子，隻有知道量子數，才能與對應類型的理論預言進行比對。”黃燕萍解釋。

一條環環相扣的証據鏈

轉機出現在2021年。經過近10年的努力，黃燕萍和團隊終於找到了一個幾乎不含干擾的新衰變道，由此獲得了“干淨”的信號。“有了‘干淨’的信號，才有可能通過量子態干涉分析，逐一排除其他量子數可能性。”黃燕萍說。

隨后，黃燕萍等人又花了3年時間進行精細分析，最終在2024年確定了X（2370）的量子數，結果與理論預言中質量最輕的那類膠球完全吻合。金山感慨道：“這是整個証據鏈條中最耗時的環節。”

量子數對上了，依然不能宣告勝利，還必須驗証膠球具備“味單態”特征。在粒子物理中，“味道”是夸克的一種屬性，不同“味道”對應不同類型的夸克。質子、中子等普通粒子內部含有多種“味道”的夸克﹔而膠球完全由膠子構成，不含夸克，因此不攜帶任何“味道”信息，物理學家稱之為“味單態”。“這意味著，如果X（2370）真是膠球，那麼它衰變時對各種‘味道’夸克應該一視同仁，不會特別偏向某一種。”黃燕萍說。

據此，理論預言了膠球特有的衰變模式。團隊按照理論指引去尋找這些預言中的衰變道，結果兩年內接連發現了3個新的衰變模式。金山說：“每一次發現，都像為膠球的判定補上一塊拼圖。”不過，找到預言中的衰變道，只能說明X（2370）的表現“像”膠球，還不足以証明它內部真的不含夸克。

驗証的關鍵一步，是確認“一視同仁”是否真的存在。2024年，金山和中國科學院高能物理研究所研究員劉北江討論時想到了一個反推的辦法。他們的思路是：按照粒子物理守恆規則，如果一個粒子內部不含有任何特定“味道”的夸克，那麼它在衰變時，有些衰變通道會被關閉﹔反過來，如果粒子內部含有某種夸克，那些因夸克守恆規則而被關閉的通道就應該暢通無阻。

實驗結果顯示，X（2370）確實沒有出現在那些應該對不含有特定“味道”夸克的粒子關閉的通道中，支持它沒有攜帶任何特定“味道”的夸克。這恰恰是膠球“味單態”該有的表現。

至此，BESⅢ實驗用15年時間，構建起從質量、量子數到“味單態”的完整証據鏈，証實X（2370）就是物理學家尋找了近半個世紀的膠球。