困扰学术界近半个世纪，北京谱仪 III 实验首次认证胶球的存在

IT之家 8 月 6 日消息，据中国科学院高能物理研究所，北京时间 8 月 6 日，北京正负电子对撞机上的北京谱仪 III 实验（BESIII）国际合作组在巴西举行的国际高能物理大会（ICHEP 2026）上，以特别大会报告的形式宣布：经过 15 年的持续研究，BESIII 实验建立了证明胶球存在的完整证据链，解开了困扰学术界近半个世纪的胶球存在之谜。该发现不仅为“量子色动力学”理论提供了决定性验证，也表明一类全新物质形态 —— 纯由“力”构成的物质的存在。▲ 北京谱仪 III (BESIII) 探测器，图源中国科学院高能物理研究所IT之家从文章获悉，原子核由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成。夸克之间靠胶子传递强相互作用力，就像光子传递电磁相互作用力一样。但胶子的特别之处在于，光子不会自己吸引自己，而胶子却会。因此，胶子之间有可能相互吸引，形成一种全新的粒子 —— 胶球。在描述强相互作用的物理学理论“量子色动力学”里，胶球是个极其重要的预言，因为它是唯一一种由“力的传播子”构成的粒子。然而，半个世纪以来，实验上一直未能找到胶球。胶球到底存不存在，是对这个物理学理论至关重要的检验，也是至今仍悬而未决的重大科学问题之一。北京正负电子对撞机能够大量产生丁肇中先生发现的 J/psi 粒子，这种粒子产生之后瞬间就会衰变成其他更轻的粒子。理论上，J/psi 的衰变过程非常有利于胶球的产生，是寻找胶球的最佳途径之一，胶球的实验寻找也是北京正负电子对撞机几十年来的首要物理目标之一。2011 年，BESIII 合作组在 J/psi 的衰变产物中发现了一个新粒子 X (2,370)，疑似为胶球。经过 13 年的努力，他们于 2024 年首次利用 100 亿个 J/psi 粒子，测定了 X (2,370) 的自旋和宇称量子数，其质量与格点量子色动力学对相同量子数胶球的理论预言完全一致，为确定其真实身份迈出了关键一步。最近，由南京大学金山教授和中国科学院高能物理研究所黄燕萍研究员共同领导的研究团队又往前迈了一大步：他们发现了多个 X (2,370) 粒子新衰变模式，并且首次测出了它的又一项关键“身份特征”——“味单态”性质。“味单态”性质是胶球的最重要特性。质子、中子等普通粒子都含有不同“味道”的夸克，如上夸克、下夸克、奇异夸克等，而胶球由纯胶子构成，不含“味道”信息，属于“味单态”。最新实验结果成功测定，X (2,370) 是“味单态”。至此，BESIII 实验通过历时 15 年的一系列研究，建立了从质量、量子数到“味单态”的完整实验证据链，证实 X (2,370) 的主要成分正是物理学家找了近半个世纪的胶球。这是近五十年来，胶球寻找最明确的实验结果，不仅清晰验证了“胶子能够自我结合形成新型物质”这一重大理论预言，也展示了北京正负电子对撞机在研究强相互作用方面的独特优势。北京正负电子对撞机自 2008 年完成重大升级改造以来，BESIII 探测器已累计采集超过 100 亿 J/psi 事例，成为陶-粲能区无可争议的世界领导者。此次发现正是持续积累、精密测量、国际合作三位一体的典范。据悉，国际高能物理大会是每两年一次的全球性大会，只有特别重大的成果发布，才会增加特别大会报告。北京谱仪 III（BESIII）是运行在北京正负电子对撞机（BEPCII）上的大型粒子物理探测器，其国际合作者由来自 15 个国家约 96 个研究机构的约 700 名科学家组成。实验聚焦陶-粲能区的精密物理研究，在强子谱学、粲物理、陶物理和新物理寻找等领域取得了一系列世界领先成果。北京谱仪 III 探测器和北京正负电子对撞机加速器运行维护团队在数据采集过程中、北京谱仪 III 离线软件团队和中国科学院高能物理研究所计算中心在数据分析过程中的高效工作为本次发现提供了保障。