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。
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。
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。
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。
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！
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, 4.33 | 4.57 | 6.06 |
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.
来源： 中科院高能所
