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最近，北京正負(fù)電子撞擊機(jī)北京譜儀 III 第一次測量合作組 X ( 2370 ) 粒子的量子狀態(tài)特性與標(biāo)準(zhǔn)模型推測的“膠球”具有相同的質(zhì)量、產(chǎn)生和衰變特性。理論上，“膠球”是一種只由膠子組成的無夸克束縛狀顆粒，長期以來沒有被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在，X ( 2370 ) 會(huì)不會(huì)是人們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)“膠球”？

發(fā)文 | Ethan Siegel

翻譯| 一根弦

在談到粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí)。（Standard Model）當(dāng)時(shí)，大多數(shù)人會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)被研究得非常深入和完全正確，沒有更多關(guān)于其有效性的謎團(tuán)。事實(shí)上，雖然標(biāo)準(zhǔn)模型經(jīng)受住了過去直接測試對(duì)其提出的許多挑戰(zhàn)，但仍有一系列問題需要回答。

物質(zhì)世界的原子由質(zhì)子、中子和電子組成，其中質(zhì)子和中子由三個(gè)夸克組成——夸克通過傳遞強(qiáng)相互作用的膠體相互束縛，但這并不是束縛物質(zhì)存在的唯一途徑。

基于量子色動(dòng)力學(xué)（QCD，理論上，至少有以下幾種理論形成了夸克、反夸克和反夸克。 / 或者膠子束縛態(tài)的方法 [ 注 1 ] ：

? 重子（由 3 由一個(gè)夸克組成)或反重子(由 3 一個(gè)反夸克構(gòu)成)；

? 介子(來自夸克) - 反夸克對(duì)構(gòu)成)；

? 例如，四夸克態(tài)(2 個(gè)夸克和 2 個(gè)反夸克）、五夸克態(tài)（4 個(gè)夸克和 1 個(gè)反夸克或 1 個(gè)夸克和 4 反夸克)或六夸克態(tài)(6夸克態(tài)( 個(gè)夸克、3 個(gè)夸克和 3 一個(gè)反夸克，或者 6 一個(gè)反夸克)等；

? 僅由膠球組成的狀態(tài)：沒有價(jià)格夸克或反夸克，即所謂的膠球。（glueball） [ 注 2 ] 。

不久前，北京譜儀 III（BESIII）在《物理評(píng)論快報(bào)》中，合作組（Physical Review Letters）上面發(fā)表了一篇重要的論文。這篇論文聲稱：以前被標(biāo)記為 X ( 2370 ) 在標(biāo)準(zhǔn)模型中，奇異顆?？赡苁亲钶p的膠球。 [ 注 3 ] 。接下來，我們對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行了科學(xué)的解釋，并解釋了這一發(fā)現(xiàn)意味著什么。

如果你想在高能物理的世界里找到一個(gè)顆粒，僅僅在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造顆粒并在它周圍建立一個(gè)探測器來觀察它的衰變產(chǎn)物是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這一方法的問題在于，在量子世界中，很少會(huì)出現(xiàn)初始條件得到單一確定性結(jié)果的現(xiàn)象。相反，我們只能預(yù)測一系列可能的結(jié)果概率，然后我們需要反復(fù)觀察，以確定理論預(yù)測是否與實(shí)驗(yàn)觀測一致。 [ 注 4 ] 。

上述做法在尋找標(biāo)準(zhǔn)模型理論推測的某些顆粒時(shí)尤為重要，特別是在某些特殊情況下，顆粒出現(xiàn)的頻率非常低或只會(huì)出現(xiàn)。無論是基本顆粒還是復(fù)合顆粒，每個(gè)不穩(wěn)定顆粒都有一系列的衰變模式(而不是一個(gè))被規(guī)則允許，每個(gè)衰變路徑的可能性都對(duì)應(yīng)一個(gè)概率，這個(gè)概率被稱為支系比例。（Branching fraction）。一般情況下，我們都會(huì)有這樣的誤解：以愛因斯坦著稱。 E = mc 2，如果能量足夠大，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的顆粒。事實(shí)并非如此：許多復(fù)合顆粒的存在只能依靠其它已知顆粒在大量產(chǎn)生和衰變后留下的特性來決定。

20 在世紀(jì)，標(biāo)準(zhǔn)模型逐漸建立起來:首先，人們發(fā)現(xiàn)原子由原子核和電子組成，然后發(fā)現(xiàn)原子核由較小的質(zhì)子和中子組成，然后發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子可以進(jìn)一步分為夸克和膠子。不久之后，我們確信除了上下夸克之外，還有更重、更奇怪、壽命更短的夸克。

? 1947 年，K 介子（Kaon）被發(fā)現(xiàn)。K 介里包含奇夸克（strange quark），可是 K 介子理論解釋(包括介子) s 直到夸克的理論解釋存在) 1964 這一年才建立起來。

? 首先是臧夸克（charm quark）隨著 1974 年 J/ ψ 發(fā)現(xiàn)了粒子的發(fā)現(xiàn)。J/ ψ 兩個(gè)團(tuán)隊(duì)單獨(dú)發(fā)現(xiàn)了顆粒。一支由丁肇中率領(lǐng)的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室(丁肇中將其命名為" J "，由于 J 類似于姓氏“丁”的形狀)，另一支隊(duì)伍是與伯頓。 · 里希特（Burton Richter）斯坦福直線加速器中心領(lǐng)導(dǎo)（SLAC；按照粒子物理的命名傳統(tǒng)，里希特將其命名為“ ψ "）。

? 隨后的 1977 每年都有底夸克被發(fā)現(xiàn)（bottom quark）；第六種標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測，也是最后一種夸克-頂夸克（top quark）于 1995 年被發(fā)現(xiàn)。 [ 注 5 ]

由這些更重、更奇怪的夸克或反夸克組成的顆粒基本上是不穩(wěn)定的:它們會(huì)通過弱相互作用來改變內(nèi)部夸克的類型。所有的顆粒，包括奇夸克、王夸克、底夸克或頂夸克，都不能長時(shí)間保持穩(wěn)定；在很短的時(shí)間內(nèi)，它會(huì)衰變和改變類型，然后過渡回能量低、重量輕、穩(wěn)定的顆粒。

在粒子物理學(xué)中，粒子的產(chǎn)生或衰變都遵循一套完整的規(guī)則，這些規(guī)則決定了整個(gè)宇宙的運(yùn)行模式。

? 能量守恒：要產(chǎn)生顆粒，首先要達(dá)到相應(yīng)的能量值；

? 電荷、角動(dòng)量和動(dòng)量守恒以及其他量子屬性守恒:不可能破壞這些守恒律來產(chǎn)生新的顆粒(或顆粒) - 反粒子對(duì)）；

? 自旋或內(nèi)稟角動(dòng)量守恒：從父粒到子粒的衰變路徑嚴(yán)格符合相應(yīng)的規(guī)則；

? “無色”組合：如果顆粒由夸克和膠子組成，強(qiáng)相互作用要求夸克和膠子的總色荷為零。

與其他相互作用相比，強(qiáng)相互作用和色荷的規(guī)則更為復(fù)雜。引力可視為只有一種類型的“荷載”(只有吸引力)，電磁相互作用可視為兩種類型的“荷載”(正電荷和負(fù)電荷:同性電荷相互排斥，異性電荷相互欣賞)，而強(qiáng)核力則涉及第三種類型的“荷載”-色荷。每一種夸克都有一種顏色，每一種反夸克都有一種反色，每一種膠都有一種顏色。 - 反色搭配，但是所有存在的束縛態(tài)都必須是無色的。 [ 注 7 ] 。

在這樣的規(guī)則下，令人驚訝的是，我們應(yīng)該從無數(shù)種可能的組合中選擇無色態(tài)作為可能束縛態(tài)的候選人:

? 顏色 - 反色搭配，例如：介子是由夸克組成的。 - 反夸克對(duì)組成；

? 顏色 - 顏色 - 顏色或反色 - 反顏色 - 反色搭配，比如重子或者反重子是由三個(gè)夸克或者三個(gè)反夸克組成的(關(guān)于為什么三個(gè)夸克或者反夸克可以組成無色狀，請(qǐng)參考圖中)；

? 以上兩種組合仍然可以保持無色狀態(tài):只要“有色”和“反色”顆粒的數(shù)量相同或其中一種超過另一種類型的倍數(shù)。 三是可獲得包括四夸克、五夸克、六夸克或更多夸克在內(nèi)的無色實(shí)體；

? 只有膠體組成的東西。這種顆粒本質(zhì)上攜帶顏色 - 反色搭配，不包括任何夸克或反夸克。

粒子物理學(xué)中很少討論最后一個(gè)概率，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)的實(shí)體膠球（glueball）不但從來沒有在實(shí)驗(yàn)中找到過，而且對(duì) 20 對(duì)于世紀(jì)科學(xué)家來說，膠球?qū)傩缘睦碚撚?jì)算是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

但在 21 在世紀(jì)，每個(gè)人都能做出這樣的計(jì)算。區(qū)別在于，20 世紀(jì)科學(xué)家使用的唯一可靠的計(jì)算量子系統(tǒng)特性的技術(shù)是微擾法——通過計(jì)算越來越復(fù)雜的相互作用項(xiàng)(通常這些相互作用項(xiàng)是先進(jìn)項(xiàng))來獲得越來越準(zhǔn)確的數(shù)字。這種方法在量子電動(dòng)力學(xué)中取得了巨大的成功(在量子電動(dòng)力學(xué)中，相互作用強(qiáng)度隨著距離的增加而降低，在低能量下有小耦合常數(shù))，但在量子色動(dòng)力學(xué)中卻失敗得一塌糊涂:由于強(qiáng)度隨著距離的增加而增加，耦合常數(shù)也很大。 [ 注 8 ] 。

但是，隨著高性能計(jì)算的出現(xiàn)，一個(gè)被稱為格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)的項(xiàng)目（Lattice QCD）新技術(shù)應(yīng)時(shí)而生。通過將時(shí)間和空間視為一個(gè)非常小的固有間隔離散網(wǎng)格，我們可以對(duì)更大規(guī)模的現(xiàn)象進(jìn)行理論預(yù)測——量子色動(dòng)力學(xué)的約束，夸克 - 膠等離子體產(chǎn)生的條件，甚至是各種束縛狀態(tài)的質(zhì)量，等等。這種方法不僅可以計(jì)算質(zhì)子、中子，還可以計(jì)算更重、更奇怪的束縛狀態(tài)。也就是說，后退回上個(gè)世紀(jì)。 90 在時(shí)代，我們不能全面計(jì)算四夸克、五夸克和膠球的特性。如今，這種計(jì)算可以直接進(jìn)行，結(jié)果可以保持在幾個(gè)百分點(diǎn)的精度誤差范圍內(nèi)。

按照理論計(jì)算，最輕的膠球狀態(tài)應(yīng)該具有這樣的特點(diǎn)：假標(biāo)量，總自旋。 0、電中性、奇宇表示，其靜態(tài)質(zhì)量介于 2.3 到 2.6 GeV/c 2 之間。如果你想在實(shí)驗(yàn)中嘗試制備這種橡膠球，理想的方法是創(chuàng)造一個(gè)復(fù)合顆粒，質(zhì)量略大于這個(gè)值，大量的橡膠和斌子會(huì)在衰變中產(chǎn)生?，F(xiàn)代化技術(shù)能夠輕松滿足上述實(shí)驗(yàn)條件，J/ ψ 粒子衰變通常被認(rèn)為是尋找潛在膠球狀態(tài)的好選擇。

每次產(chǎn)生一個(gè) J/ ψ 大概有顆粒的時(shí)候 26% 衰變?yōu)楣庾拥目赡苄?然后可能衰變?yōu)楹锌淇祟w?；蜉p子) - 反輕對(duì)顆粒)，大概有顆粒) 64% 有可能衰變成三個(gè)膠，還有大約三個(gè)膠， 9% 衰變成一個(gè)光子和兩個(gè)膠子的可能性很大，這些衰變大多是習(xí)以為常、完全理解的，但是，最輕的膠球的細(xì)微貢獻(xiàn)可能會(huì)影響其中的一些衰變道。

具體而言，如果是一個(gè) J/ ψ 顆粒衰變?yōu)椋?/p>

? 一個(gè)光子；

? 一個(gè) η ′顆粒；

? 一對(duì) K 介子或一對(duì) π 介子。

假如其中包含最輕的膠球狀，η ′與 K/ π 測試數(shù)據(jù)中可能會(huì)出現(xiàn)正確的共振。

到目前為止，用于產(chǎn)生和研究。 J/ ψ 位于北京的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)——北京譜儀，顆粒最大的“工廠” III（BES III）。它于 2008 每年開始收集數(shù)據(jù)。僅第一年，BES III 就累積了約 2.26 億次產(chǎn)生 J/ ψ 顆粒事件。截至 2023 到了年底，這個(gè)累計(jì)數(shù)量已經(jīng)超過了 100 億次。所以，即使是從這些衰變中產(chǎn)生的罕見事件和共振也是可以探測到的。在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的顆粒：一種叫做 XYZ 介質(zhì)顆粒，是現(xiàn)在已知包含四夸克的奇異狀態(tài)。

基于當(dāng)前收集的數(shù)據(jù)，BES III 這個(gè)團(tuán)隊(duì)宣布確定 X ( 2370 ) 新型復(fù)合顆粒狀態(tài)的存在，并且公布了其顆粒特性：

? 質(zhì)量：2.395 GeV/c 2；

? 自旋：0；

? 分支比：0.000013 ；

(代表大約每一個(gè) 76,000 個(gè) J/ ψ 在顆粒中就會(huì)衰變成包括 X ( 2370 ) 某一顆粒)

? 統(tǒng)計(jì)顯著性高達(dá) 11.7 σ。

在粒子物理學(xué)中，出現(xiàn)超過 5 σ 顯著性，代表結(jié)果只有結(jié)果。 0.00006% 這是一個(gè)偶然的統(tǒng)計(jì)機(jī)會(huì)，任何比這更明顯的結(jié)果都超過了宣布真正找到的“黃金標(biāo)準(zhǔn)” [ 注 9 ] 。

最初公布的粒子質(zhì)量為 2.370 GeV/c 2，它也叫它 X ( 2370 ) 的原因。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其質(zhì)量更加準(zhǔn)確。 2.395 GeV/c 2，測試的不確定性為 0.011 GeV/c 2。同時(shí)，發(fā)表于 2019 2008年最新格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)理論結(jié)果預(yù)測最輕的膠球。 2.395 ± 0.014 GeV/c 2 質(zhì)量，這表明實(shí)驗(yàn)和理論之間出奇的一致性。另外，這個(gè)最新的實(shí)驗(yàn)首次測量 X ( 2370 ) 自旋和宇表示，這意味著這項(xiàng)研究在顆粒統(tǒng)計(jì)顯著性和特性測量方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以往的實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在所有的測試數(shù)據(jù)都表明：這顆粒很可能是迄今為止第一次被檢測到的膠球，但是我們?nèi)匀恍枰?jǐn)慎。第一，以前發(fā)現(xiàn)的其它東西 X 介子，只涉及到夸克和反夸克的共振，而非膠球。其次，從 J/ ψ 在衰變中看到的 X ( 2370 ) 產(chǎn)生率有點(diǎn)太高，不符合膠球的理論解釋，這個(gè)原因還在研究中。最終，對(duì) X ( 2370 ) 負(fù)宇稱與其假標(biāo)量的理論預(yù)測(不是標(biāo)量)確實(shí)一致，但這并不能作為確認(rèn)其為膠球的確鑿證據(jù)。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型和量子色動(dòng)力學(xué)理論預(yù)測膠球必須存在，所以這個(gè)測試的核心問題是膠球是否存在，以及是否存在。 X ( 2370 ) 觀察是否足以判斷它是膠球狀態(tài)。這是迄今為止最穩(wěn)定、最新的結(jié)果支持。 X ( 2370 ) 理解為潛在的膠球狀態(tài)，因此，這個(gè)測試進(jìn)一步成為標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)關(guān)鍵測試。同時(shí)，我們必須保持一種開放的態(tài)度：除非有關(guān)于這一點(diǎn)： X ( 2370 ) 可以充分解釋產(chǎn)生率和支系比例的問題，否則， X ( 2370 ) 也許只是另外一種奇怪的狀態(tài)，不僅僅是由膠子組成，比如四夸克態(tài)。

不管怎樣，超越 100 億次 J/ ψ 顆粒的衰變產(chǎn)生了數(shù)十萬個(gè)顆粒 X ( 2370 ) 顆粒，如今已比以往任何時(shí)候都更精確地測量。 X ( 2370 ) 這種奇怪顆粒的特性。X ( 2370 ) 如今已是膠球——這一理論存在但從未被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和證實(shí)的復(fù)合顆粒——最有說服力、最有趣的候選人。需要進(jìn)一步的研究來決定 X ( 2370 ) 為了進(jìn)一步確定其是否真的是膠球，顆粒的完整特性。假如自然界中沒有膠球，那就意味著標(biāo)準(zhǔn)模型中有新的問題；如果膠球確實(shí)存在，X ( 2370 ) 也許是歷史上第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的膠球。

譯者注

[ 1 ] 所有受強(qiáng)相互作用影響的亞原子顆粒都被稱為斌子，斌子由夸克、反夸克和膠子組成。在傳統(tǒng)的夸克模型中，斌子分為重子和介子。但是量子色動(dòng)力學(xué)允許更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如多夸克態(tài)、膠球等奇特的斌子態(tài)。假如這一奇特的斌子態(tài)不存在，則意味著強(qiáng)相互作用的基本理論需要重大調(diào)整。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成。上夸克 ( up quark ) , 帶 2/3 e 下夸克的電荷（down quark），帶 -1/3 e 所以質(zhì)子可以被記錄為電荷， uud, 正好帶 e 電荷，中子記錄下來 udd, 正好是電中性的。

[ 2 ] 在除膠球外的其他斌子狀態(tài)(重子、介子、多夸克狀態(tài))中，膠子作為強(qiáng)大的傳播子出現(xiàn)，即夸克像膠水一樣被膠子“粘合”在一起。在膠球中，膠球不僅是強(qiáng)大的傳播子，也是物質(zhì)的基本組成部分。

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

[ 4 ] 這句話主要講量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的區(qū)別:在經(jīng)典物理的世界里，給出一定的初始條件，結(jié)果一定是肯定的，也就是所謂的“機(jī)械決定論”；然而，在量子物理學(xué)的世界里，給出一定的初始條件并不能完全鎖定結(jié)果，而只能計(jì)算出各種可能出現(xiàn)結(jié)果的概率，即所謂的“概率決定論”。

[ 5 ] 除上下夸克外，這里還分享了其它四種夸克的發(fā)現(xiàn)歷史?？茖W(xué)家在標(biāo)準(zhǔn)模型中使用“味”（flavor）區(qū)分不同的夸克：上夸克 ( u ) 、下夸克 ( d ) 、粲夸克 ( c ) 、奇異夸克 ( s ) 、頂夸克 ( t ) 和底夸克 ( b ) 對(duì)應(yīng) 6 品種“味”。每種口味的夸克也有相應(yīng)的反夸克。

[ 6 ] 在歷史上，正是 K 介子的兩種衰變方式讓科學(xué)家意識(shí)到，在弱相互作用下，宇稱不守恒。這一發(fā)現(xiàn)最早是由李政道和楊振寧提出的，所以他們得到了。 1957 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[ 7 ] 對(duì)于強(qiáng)相互作用這一特殊特征，有一個(gè)特殊術(shù)語叫做“色禁閉” ( color confinemen；又稱夸克禁閉 ) ，也就是說，所有的束縛顆粒都必須是零色核(可以相應(yīng)地理解為“電中性”)。色禁的源頭和機(jī)制是當(dāng)今物理研究中最重要的基本問題之一。

[ 8 ] 這一獨(dú)特的特征被稱為“漸進(jìn)自由”（asymptotic freedom），也就是說，當(dāng)兩個(gè)強(qiáng)相互作用的顆粒(如夸克)非常接近時(shí)，強(qiáng)相互作用非常微弱。相反，當(dāng)兩者之間的距離變遠(yuǎn)時(shí)，強(qiáng)相互作用變得非常強(qiáng)大。正是這種強(qiáng)大的特性使得原本在量子電動(dòng)力學(xué)中非常成功的微擾法失效。

[ 9 ] 在粒子物理學(xué)測試中， σ 通常被認(rèn)為是公布事件的標(biāo)準(zhǔn)。如果一個(gè)事件的統(tǒng)計(jì)顯著程度超過 5 σ，這一事件基本上可以被認(rèn)為是“真正發(fā)生的”。

本文經(jīng)作者授權(quán)發(fā)表于《返樸》，原文翻譯為 Ethan Siegel, New particle at last! Physicists detect the first " glueball "，https://bigthink.com/starts-with-a-bang/new-particle-first-glueball/。

譯者簡介

一根弦，中關(guān)村文理學(xué)院不是優(yōu)秀學(xué)生。博士期間，主營業(yè)務(wù)發(fā)展原子核集體激發(fā)態(tài)理論，副業(yè)打聽八卦新聞。因?yàn)榛识挤績r(jià)高，錯(cuò)信 IT 高薪傳聞，誤入碼農(nóng)隊(duì)伍，逃離北京，來到卷都杭州。除了全職工作，他們?cè)谥醵加小耙桓摇焙汀耙桓摇薄?B 站在“一根弦肥二”的網(wǎng)名上挖掘和寫作科學(xué)家，并以此為樂。

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