在宇宙中存在这样一类物质，它不来自于任何人类已知的粒子，而是单纯地由“力”凝聚而来。近日，人类第一次亲眼看见了这类物质。在北京正负电子对撞机的核心区域，科学家从 100 亿次衰变的残影之中，捕获了一个名字叫做 X(2370) 的幽灵粒子。

它的存在验证了一个存在半个世纪的物理预言：对于胶子这种能够传递强相互作用力的信使来说，其实它自己也能抱团成为一种实体物质。这意味着在我们所认知里的宇宙，也许更像是一张被力编织的网，而非各种粒子的简单堆积。

被预言半个世纪的粒子

要想理解这件事有多重要，就得先回到物质的最底层。

初中物理老师就已经告诉我们，原子核由质子和中子组成，质子和中子又由更为基本的粒子构成，它们的名字叫夸克。夸克之间依靠一种叫做“胶子”的东西传递强相互作用力，把它们牢牢地绑在一起，这个过程和光子传递电磁力有点类似。但是胶子存在一个根本不同的地方：那就是光子不会自己吸引自己，而胶子会。

胶子身上带有一种叫“色荷”的属性，这让它们不仅可以黏住夸克，彼此之间也会相互吸引和纠缠。既然它们会相互吸引，那么理论上就有可能聚集在一起，从而形成一种全新的粒子。而这种粒子全部由胶子构成，不包含任何夸克。

物理学界给这种粒子起了一个名字：胶球。

在描述强相互作用的理论框架量子色动力学里面，胶球是一个非常重要的预言。它是唯一一种完全由“力的传播子”构成的粒子。换句话说，它是一类纯粹由“力”凝聚而成的物质。在量子场论中，“传播子”是用于描述粒子从一点运动到另一点的概率幅的数学函数，也是计算粒子间相互作用和衰变过程的一个核心工具。

这个理论预言提出来之后，科学家在全球各地的实验装置上找了将近五十年一直没找到。胶球到底存不存在，成了检验这套理论是否成立的关键证据，也成了高能物理领域悬而未决的重大问题之一。

图｜尹华磊（来源：尹华磊）

中国人民大学尹华磊教授告诉 DeepTech，从更深层次看，这项发现确实改变了人类传统意义上对“物质”的认识。

我们过去熟悉的一幅图景是：构成物质的是电子、夸克等费米子，而光子、胶子等玻色子负责传递不同的相互作用。胶球的特殊之处就在于，传递强相互作用的胶子不仅能够把夸克“粘”在一起，胶子之间也能够彼此作用，最终形成一种新的物质形态。从这个意义上说，可以形象地把胶球理解为一种“纯由力构成的物质”。

所以，“世界由物质组成”这一基本认识当然没有改变，改变的是我们对“什么能够构成物质”的认识。过去我们习惯于把“物质的组成者”和“力的传递者”看成两类角色，而胶球告诉我们，这两种角色之间并不存在绝对的界限：传递自然界基本作用力的粒子，本身也能够聚集起来，形成物质。这让我们对微观世界的认识又向前推进了一步，也展现出自然界比传统直觉更加丰富的一面。

北京的加速器，等了它十五年

要找胶球，需要一种特殊的粒子作为探针。这种粒子叫 J/psi，最早由物理学家丁肇中在 1974 年发现。

J/psi 粒子不稳定，产生之后会很快衰变成其他更轻的粒子。理论上，它的衰变过程非常有利于胶球产生，被公认为寻找胶球的最佳途径之一。

北京正负电子对撞机恰恰可以大量地产生 J/psi 粒子。据了解，这台机器始建于 1984 年，2008 年完成以此重大升级改造。经过升级的北京谱仪 III 探测器，在陶-粲能区成了全球领先的实验装置，而这个能区正好是 J/psi 粒子大量产生的区域。

从 2009 年升级完成到现在未知，北京正负电子对撞机已经累计采集 100 亿多个 J/psi 事例。在这十五年里，寻找胶球始终是这台装置的首要物理使命之一，胶球的实验寻找也由此成了一场跨越近半个世纪的漫长等待。

2011 年，北京谱仪 III 国际合作组在 J/psi 的衰变产物中发现一个新粒子，当时它被命名为 X(2370)，名字中的 2370 指的是它的质量。

怀疑它是胶球的线索一并出现，但是一个粒子的出现只是开始，要想确认它是胶球，还得证明它的性质确实符合理论预言。于胶球而言，需要验证的东西至少包括以下三项：质量、量子数，以及一个叫做“味单态”的特征。

经过长达十三年的数据积累和精密测量之后，2024 年上述团队利用 100 亿个 J/psi 事例样本，精确地测定了 X(2370) 的自旋和宇称量子数，这一结果和格点量子色动力学的理论预言完全一致。这一步实现之后，它的身份已经基本被锁定，但还剩最后一项证词。

本文开头的成果，便是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团队完成的，他们拿到了那最后一项证据。

研究中，他们发现了 X(2370) 的多个新衰变模式，同时首次测出了它的“味单态”性质。

“味单态”指的是：对于质子、中子这类普通粒子来说，里面都包含不同“味道”的夸克，比如上夸克、下夸克以及奇异夸克。由于胶球由纯胶子构成，不包含任何夸克，所以不携带任何“味道”信息，物理学上把这种状态称作“味单态”。

测出 X(2370) 是“味单态”之后，就等于证明了它不包含夸克组分。至此，对于一个由胶子构成、没有夸克、质量与量子数都和理论预言相互吻合的粒子来说，它的身份已经基本没有悬念。

为“宇宙由什么构成”带来一种可能答案

据了解，这也是近五十年来胶球寻找工作中最明确的实验结果。这一预言从 1970 年代提出到今天，等了半个世纪才等来一个确凿的答案。它同时证明：力的传播子可以凝聚成物质。胶子能够传递强相互作用力，而胶子本身也可以成为一个被传递的对象。

更深一层来看，这一成果回答了“宇宙由什么构成”这个问题的一种可能性答案。那就是物质不止是质子、中子、电子这些东西，也可以是通过相互作用本身凝聚而成的形态。对于我们身处的这个宇宙来说，它的底层不仅仅存在实体粒子，还存在一张由力交织成的大网。胶球的真实存在意味着，这张网在某些条件下能够进行打结，从而形成一个稳定的结构。

尹华磊表示，未来会不会因此诞生今天无法想象的新技术，现在还无法预测。但这项工作的意义，首先不应该只用“能不能马上变成一项技术”来衡量。

胶球所回答的是一个更加基础的问题：自然界最基本的强相互作用究竟怎样运行，又能够创造出怎样的物质世界。强相互作用把夸克束缚成质子和中子，进而构成原子核和我们身边绝大多数可见物质。胶球的发现则进一步证明，传递这种作用力的胶子自身也可以形成物质。这是对人类关于世界基本运行规律认识的一次重要推进。

从科学价值上说，这类发现所回答的问题比某一项具体技术进步更加基础。电磁学、量子力学诞生之初，人们同样无法预见今天的无线通信、半导体和现代信息技术。基础科学的重要意义，就是不断拓展人类对自然规律的认知边界，并为未来真正颠覆性的技术提供知识基础。

因此，与其现在猜测胶球未来会变成哪一种“黑科技”，更重要的是看到：我们正在认识一个过去只存在于理论预言中的新物质形态，并进一步理解自然界最基本的力量如何塑造这个世界。

另据悉，自从 2008 年完成升级之后，北京正负电子对撞机至今运行了十几年，在此期间采集了 100 亿个 J/psi 事例，这些数字背后也是科研工作者的一种日常状态。

从 2011 年初次看见信号到 2024 年测定量子数，中间隔了十三年之久。在这十三年里，探测器一直在采集数据，科学家也一直在做数据分析，理论家则负责提供更加精确的计算。

最终找到胶球的联合科研团队，其成员来自 15 个国家的 96 个研究机构，大约有 700 人之多，也就是说这是一个跨国的、长线的、持续积累的国际合作。

这次成果展示了北京正负电子对撞机在研究强相互作用方面的一种独特优势，这里的优势指的是在陶-粲能区这个特定的能区，这台机器在持续运行中所积累的数据数量，超过了全球任何其他实验装置，也让北京谱仪 III 合作组成为陶-粲能区一个无可争议的世界领导者。

尹华磊指出，这种长期积累和国家科技竞争力有非常直接的关系。能够建设和长期稳定运行世界一流的大科学装置，获得世界领先的数据，并最终解决一个国际科学界寻找了几十年的重大基础科学问题，本身就是国家科技硬实力的体现。

胶球不是靠一次实验偶然“撞”出来的。从北京正负电子对撞机长期把寻找胶球作为最重要科学目标，到 BESIII 积累约 100 亿个 J/\psi 事例，再到科研人员多年持续研究 X(2370) 的各种性质，这项成果背后体现的是十几年乃至几十年的持续投入和技术积累。正是这种长期积累，使我们有能力在重大原创科学问题上从“跟随别人”走向“回答世界共同的问题”。

参考资料：

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