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探测|里程碑，实验首次证实三胶子胶球存在

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作者：乔从丰中国科学院大学教授、汤亮河北师范大学副教授
一线科学家权威科普最新的实验新发现 ， 带您解读胶球的来龙去脉 ， 严谨解读此次费米实验室与欧洲核子研究组织联合宣布的实验结果 ， 奇异子（Odderon）的实验证据 ， 实验探测首次间接证实了胶球的存在 。
2021年3月5日 ， 费米实验室太电子伏质子加速器（Tevatron）的D0合作组与大型强子对撞机（LHC）的TOTEM合作组联合宣布发现了奇异子（Odderon）的实验证据 ， 相关论文已提交到了物理专业最著名的杂志《物理评论快报》[1] 。 这是实验上首次宣布探测到了奇异子 。
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发现奇异子的实验信号
大约50年前, 理论物理学家预言了一种新型的复合粒子[2,3] ， 奇异子（C宇称为-1） ， 与其对应C宇称为+1的则为坡密子（Pomeron）[4] 。 理论分析 ， 奇异子在正反质子散射和质子-质子散射过程中的贡献会不一样 ， 这也正是实验物理家孜孜不倦努力找寻的目标 。 现在 ， 通过比较D0正反质子实验（蓝色圆点）和TOTEM质子-质子实验（红色三角形）的弹性微分散射截面结果 ， 研究人员发现了奇异子的显著特征（图1）首次探测到了奇异子存在的实验信号 。
由于实验测到的只是奇异子对微分散射截面的贡献 ， 还不能确定它（们）的质量和其他量子数 ， 甚至不能确定有几个奇异子对实验结果有贡献 ， 科学家严谨地称此次实验结果只是间接证实了奇异子（胶球）的存在 。

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图1. 比较D0正反质子实验（蓝色圆点）和TOTEM质子-质子实验（红色三角形）的弹性散射微分散射截面 ， |t|表示散射转移动量平方的绝对值 。 其中数据点上的竖线表示误差 ， 虚线显示1倍的标注偏差范围 。 图片来源于文献[1]
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奇异子 ， 坡密子 ， 胶球？
在基本粒子理论中 ， 胶子是一种传递强相互作用力（也被称为强力）的媒介粒子 。 胶子将夸克紧紧地“胶合”在一起 ， 从而形成质子、中子等构成这个世界基本物质的粒子—强子 。 胶子在粒子物理标准模型中的地位和性质如图2所示 ， 位于图的右上部 ， 用字母g表示 。 坡密子和奇异子都是由胶子构成的 ， 不含价夸克 。

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图2. 标准模型中强力的规范粒子为胶子 。 图片来源于网络 。
强力是自然界中的四种基本力之一 ， 解释强力的理论被称为量子色动力学（QCD） 。 在QCD理论框架中 ， 夸克和胶子携带色荷 。 正如带电粒子通过彼此交换光子而产生电磁力 ， 带色的夸克之间也会交换胶子产生强力 。 但是胶子与光子不同之处 ， 在于光子是电中性的 ， 但胶子本身携带色荷 ， 所以它们之间也有作用力（图3） 。 这就产生了一个有趣的问题：不需要夸克 ， 有没有只有胶子相互粘连在一起的新型粒子？理论学家称这种只含胶子不含价夸克的强子态为胶球 ， 胶球由两个、三个或更多胶子构成 。 坡密子和奇异子也可以视作胶球 。

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图3. 胶子自相互作用顶点图 。 注：线条颜色不代表粒子携带的颜色 。

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【探测|里程碑，实验首次证实三胶子胶球存在】图4. 胶球想象图 。 图片来源于网络 。
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寻找胶球的实验征途
在实验方面 ， 虽然从二十世纪七十年代开始就发现了胶球的“证据” ， 但是迄今为止仍没有胶球存在的实锤证据 。 普通介子是由一对正反夸克组成的 ， 因为胶球一般总是伴随着普通的介子一同产生 ， 如泥沙俱下 ， 实验上很难在粒子加速器中探测到它 。 但实验上还是发现一些关于胶球存在的“线索” 。 例如 ， 1982年 ， 实验家发现存在超出夸克模型预言数量的介子态[5] ， 认为这可能是夸克强子与胶球构成的混合态（图5）；也有研究认为用胶球解释新发现的粒子态就可以解释反应中的OZI压低破坏现象[6] 。 现有的对撞机和探测器水平 ， 理论上已经达到了胶球产生和探测的水平 。 但直到2020年 ， 胶球的存在依然只是有迹象 ， 无法确认 。 物理学家等待“胶球”出现已经等了整整五十多年！

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图5. 两胶子胶球与普通介子间混合示意图 。 其中 ， 划线代表介子 ， 含箭头的实线代表夸克 ， 螺旋线表示胶子 ， 注：线条颜色不代表粒子携带的颜色 。
物理学家认为 ， 在正反质子对撞机（Tevotran）或大型强子对撞机（LHC）中 ， 当质子在衍射（弹性散射）相互作用中进行能量交换时会出现胶球 。 这便是上文提到的坡密子和奇异子 。 近期D0和TOTEM合作组探测到了奇异子 ， 给出了胶球存在的确切证据 。 这是一个里程碑式的实验结果 ， D0和TOTEM合作组的实验结果一宣布就轰动了粒子物理学界 。
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胶球的理论研究
根据量子色动力学（QCD） ， 胶球可以为两类 ， 一类是常规胶球 ， 具有跟普通介子同样的常规量子数 ， 另一类是奇特胶球 ， 携带不同于普通介子的奇特量子数 。 基于QCD的要求 ， 两胶子胶球的C宇称必定为正；三胶子胶球C宇称可正可负 。 文章[1]中发现的奇异子C宇称为负 ， 所以它至少应该是由3个胶子构成的 。
理论学家通过多种理论方案研究胶球问题 ， 例如：格点QCD理论、口袋模型、流管模型、库仑规范理论、AdS／QCD和QCD求和规则等方法 。 理论上预言最轻的标量两胶子胶球（JPC = 0++）的质量介于1~2 GeV之间（1 GeV=1000MeV=10亿电子伏特 ， 1个电子伏特是把1个电子移动1个伏特的电位差所需要的能量） ， 其他量子数胶球质量会高于2 GeV 。
在三胶子胶球研究的历史中 ， 人们最先选定的研究对象是三胶子胶球（0++） 。 然而 ， 由于它既会与普通介子混合 ， 又会与两胶子的胶球混合 ， 很难在实验上剖析出它的迹象 。 幸运的是 ， 由于0--三胶子胶球（既是奇特胶球又是奇异子）不会与普通介子混合 ， 且总自旋为0 ， 所以它们在实验探测方面具有特殊的优势 ， 也备受理论学家的重视 。
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我们的理论研究
本文作者曾经首次应用QCD求和规则方法研究了奇特胶球的能谱[7] ， 结果显示存在两个奇特胶球 ， 质量分别为3.81 GeV和4.33 GeV ， 比较重 。 随后 ， 我们还研究了0+- ， 1-+和2+-奇特胶球[8] ， 得到了一个质量为4.57 GeV的态和一个6.06 GeV的态 。 这些研究表明 ， 虽然奇特胶球不与普通介子态混合 ， 但是奇特胶球理论上可以和某些特定的态发生混合 ， 譬如说四夸克态和混杂态（夸克-胶子态） 。 但鉴于它们的组分数量的增加 ， 耦合强度会有较大压低 ， 通常可以忽略这类混合 。
表1. 我们基于QCD求和规则得到的奇特胶球质量[7,8]

质量（GeV）3.81, 4.334.576.06
近日 ， D0和TOTEM合作组报告的实验结果显示在5倍的标准偏差范围内（确认发现一个粒子的统计性要求） ， 首次发现电荷共轭变换宇称为负（C=-1）的三胶子胶球 。 这非常可能就是作者曾经计算并预言过的0--奇特胶球 ， 或许还有一些其它量子数三胶子胶球的贡献[8,9] 。
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小结
奇异子的成功探测为理解粒子物理标准模型 ， 特别是QCD提供了重要的信息 ， 会加深我们对QCD本质的理解 。 这是QCD研究中的又一重大成就 ， 令人兴奋 。 但毕竟这次是间接测量的实验结果；实验上能直接探测到胶球 ， 并确定其物理性质将更加令人期待 。 目前有若干理论和实验组都在开展这方面的探索 ， 希望不久的将来 ， 能够取得突破 ， 让胶球直接现身 。
*有关本文更为详细的版本即将在《现代物理知识》发布 ， 经过作者的同意 ， 编辑部提前将本文发布与诸位共飨这篇粒子物理学的新热点 。
编辑：花明
参考文献
[1] V. M. Abazov et al.[D0 and TOTEM], ``Comparison of pp and differential elastic cross sections andobservation of the exchange of a colorless C-odd gluonic compound,'' [arXiv:2012.03981[hep-ex.
[2] L. Lukaszuk and B. Nicolescu,``A Possible interpretation of p prising total cross-sections,'' Lett. Nuovo Cim. 8, 405-413 (1973).
[3] S. Nussinov, ``Colored Quark Version of Some Hadronic Puzzles,''Phys. Rev. Lett. 34, 1286-1289(1975).
[4] I. Y. Pomeranchuk, Sov. Phys.7, 499(1958).
[5] A. Etkin, K. J. Foley, R. S. Longacre, W. A. Love, T. W. Morris,S. Ozaki, E. D. Platner, V. A. Polychronakos, A. C. Saulys and Y. Teramoto, et al. ``Evidence for Two New 0++Mesons and a Possible Scalar Decuplet,'' Phys. Rev. D 25, 2446 (1982).
[6] A. Etkin, K. J. Foley, R. S. Longacre, W. A. Love, T. W. Morris,E. D. Platner, V. A. Polychronakos, A. C. Saulys, C. D. Wheeler and S. J. Lindenbaum,et al. ``The Reaction pi- p ---> phiphi n and Evidence for Glueballs,'' Phys. Rev. Lett. 49, 1620 (1982).
[7] C. F. Qiao and L. Tang, ``Finding the 0-- Glueball,''Phys. Rev. Lett. 113, 221601 (2014).
[8] L. Tang and C. F. Qiao, ``Mass spectra of 0+-, 1-+,and 2+- exotic glueballs,'' Nucl. Phys. B 904, 282-296 (2016).
[9] H. X. Chen, W. Chen and S. L. Zhu, ``Toward the existence ofodderon as a three-gluon bound state,'' [arXiv:2103.17201 [hep-ph.
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