當談到粒子物理學的標準模型時，大多數人錯誤地認為它是已知的，它是正確的，並且沒有關於其有效性的懸而未決的問題。雖然標準模型確實經受住了直接檢測實驗所帶來的所有挑戰，但仍有一大堆問題有待回答。雖然構成我們的物質是由原子組成的，原子由質子、中子和電子組成，而質子和中子分別由三個誇克組成——它們都透過強交互作用被膠子結合在一起——但這並不是物質束縛狀態的唯一可能方法。
從理論上講，至少根據量子色動力學（我們的強核力理論），應該有多種方法可以單獨制造誇克、反誇克和/或膠子的束縛態。
你可以有重子（每個有 3 個誇克）或反重子（每個有 3 個反誇克）。
你可以有奇異的狀態，如四誇克（2 誇克和 2 個反誇克）、五誇克（4 誇克和 1 個反誇克或 1 誇克和 4 個反誇克）或六誇克（6 誇克、3 誇克和 3 個反誇克，或 6 個反誇克）等。
或者，你也可以有單獨由膠子組成的狀態——沒有價誇克或反誇克——被稱為膠球。
在剛剛發表在【物理評論快報】（Physical Review Letters）雜誌上的一篇激進的新論文中，BES III合作剛剛宣布，一種先前被確定為X（2370）的奇異粒子可能確實是標準模型預測的最輕的膠球。這是這種說法的科學性，以及它的全部含義。
氣泡室跟蹤來自費米實驗室，揭示了產生的粒子和反粒子的電荷、品質、能量和動量。雖然我們可以重建任何一個事件在碰撞點發生的事情，但我們需要大量的統計數據來建立足夠的證據來聲稱任何新粒子物種的存在。圖片來源：費米國家加速器實驗室/美國能源部/美國國家科學基金會
如果你想在高能物理學的世界裏找到一個粒子，僅僅在實驗室裏創造這個粒子並在它周圍建立一個探測器，觀察衰變產物並確定在粒子產生時發生了什麽是不夠的。這種方法的問題在於，在量子宇宙中，很少有一個單一的確定結果可以根據一組給定的初始條件進行預測。相反，你只能預測預期發生的各種結果的機率，然後你需要多次重復觀察來確定你的理論預測是否與你觀察到的結果一致或沖突。
當您在尋找標準模型中應該存在或發生的東西時，這一點變得尤為重要，但僅限於不常見的、可能是特殊的條件或情況。每個不穩定的粒子——無論是基本粒子還是複合粒子——都有一組它被允許經歷的衰變，以及每個衰變路徑的頻率，這也是可以預測的：稱為它的分支比。雖然我們通常認為粒子的產生只有在你有足夠的能量從能量中產生時才會發生，但透過愛因史坦著名的 E = mc² ，現實情況是，許多複合粒子只能從其他已知粒子大量產生時留下的特征中檢測到，然後衰變。
標準模型的粒子和反粒子現在都被直接探測到，最後一個堅守者希格斯玻色子在2012年落在大型強子對撞機上。今天，只有膠子和光子是無品質的;其他一切都具有非零靜止品質。只有誇克和膠子耦合到強力，並經歷QCD交互作用。圖片來源：E. Siegel/Beyond the Galaxy
在 20 世紀，標準模型的各種部份匯集在一起。我們發現原子是由原子核和電子組成的，然後原子核本身是由更小的粒子組成的：質子和中子，它們可以進一步分解為誇克和膠子。人們很快發現，誇克不僅有兩種型別——上誇克和下誇克——還有更重的、奇特的、短命的誇克。
1947年發現了第一個含有奇異誇克的粒子，即kaon，但直到1964年才發現對它的解釋（包括奇異誇克的存在）。
魅力誇克的首次發現是在1974年，當時兩個獨立的團隊發現了一種稱為J / ψ的粒子：布魯克海文的Samuel Ting團隊（他以自己的名字命名為「J」，因為Ting的漢字是丁）和SLAC的Burton Richter團隊（他們將其命名為「ψ」，與粒子物理學中的其他慣例一致）。
此後不久，底誇克在1977年被發現，標準模型預測的第六個也是最後一個誇克，即頂誇克，於1995年被發現.
所有由這些較重的奇異誇克（或反誇克）組成的粒子從根本上都是不穩定的，不僅必須衰變，而且必須透過弱交互作用衰變，以改變內部組成誇克的種類。所有含有奇異誇克、魅力誇克、底誇克或頂誇克的粒子都不能長期保持穩定;在極小的幾分之一秒內，它們會衰變並改變物種，並在此過程中過渡回能量更低、更輕、更穩定的粒子。
當中性kaon（包含一個奇怪的誇克）衰變時，它通常會導致兩個或三個介子的凈產生。需要超級電腦模擬來了解在這些衰變中首先觀察到的CP違規水平是否與標準模型的預測一致或不同意。除了少數粒子和粒子組合外，宇宙中幾乎每一組粒子都是不穩定的，如果它們不湮滅，它們會在短時間內衰變。圖片來源：布魯克海文國家實驗室
為了讓任何型別的複合粒子存在，還必須遵循一些規則：支配宇宙的全套量子規則。
能量必須守恒，這意味著如果你最初想創造一個粒子，你必須有足夠的可用能量（透過愛因史坦的 E = mc² ）才能創造出這個粒子。
電荷、角動量、線性動量和其他量子性質也必須守恒：你只能創造不違反這些守恒定律的粒子（或粒子-反粒子對）。
必須遵守有關自旋或這些粒子固有的角動量的規則，包括母粒子到子粒子的衰變途徑。
如果你有任何含有誇克和膠子的實體，這是唯一經歷強核力的粒子，你只能創造這些粒子的「無色」組合，即使是一瞬間，如果你想讓它們存在的話。
關於強核力和顏色的規則比只有一種電荷（正電荷和吸重力，如重力）或兩種電荷（正電荷和負電荷，類似電荷排斥和相反電荷吸引，如電磁）的理論要復雜一些，並且涉及三種基本型別的電荷——顏色電荷——它們都是相互關聯的。雖然每個誇克都有一種顏色，每個反誇克都有一種反色，每個膠子都帶有一種顏色-反顏色組合，但存在的束縛態都必須是真正無色的。
三個誇克 （RGB） 或三個反誇克 （CMY） 的組合是無色的，誇克/反誇克對的適當組合也是無色的。保持這些實體穩定的膠子交換非常復雜，但需要八個而不是九個膠子。在強交互作用下，禁止使用帶有凈顏色電荷的粒子。圖片來源：Maschen/Wikimedia Commons
這給我們留下了大量可能的組合，也許讓一些人感到驚訝，以創造無色的束縛態。
你可以有一個顏色-反色組合，比如誇克-反誇克對，來制造介子。
您可以使用顏色-顏色-顏色或反顏色-反顏色-反顏色組合，例如三個誇克或三個反誇克，以構成重子或反重子。
您可以擁有上述兩個選項中的一個或兩個選項的多個組合，以仍然保持無色狀態;只要有相等數量的「有色」和「反色」粒子，或者有一種粒子比另一種粒子多，是三的倍數，你就可以有一個無色實體，包括四誇克、五誇克、六誇克，或更大的數位或誇克。
或者你可以擁有完全由膠子組成的東西——膠子本質上是帶有顏色-反色組合的粒子——根本沒有誇克或反誇克，除了那些由於膠子場而在內部產生的誇克。
最後一種可能性在粒子物理學中很少被討論，因為由此產生的實體——膠球——不僅從未被探測到，而且計算膠球的預期性質對20世紀的物理學家來說是一項艱巨的任務。
今天，費曼圖被用於計算跨越弱力和電磁力的每個基本交互作用，包括在高能和低溫/凝聚條件下。包括高階的「迴圈」圖可以更精細、更準確地近似宇宙中數量的真實值。然而，強交互作用不能以這種方式計算，必須進行非擾動電腦計算（Lattice QCD）或需要實驗輸入（R-ratio方法）才能解釋它們的貢獻。圖片來源：V. S. de Carvalho 和 H. Freire，Nucl。物理B， 2013
但在21世紀，我們可以進行這些計算。不同之處在於，在20世紀，我們計算量子系統性質的唯一可靠技術是擾動法：你計算越來越復雜的交互作用項，以獲得越來越準確的答案。這種方法在量子電動力學方面非常成功（在更遠的距離上交互作用強度變小，在低能量下具有較小的耦合常數），在量子色動力學方面卻失敗了，因為隨著距離的增加，強力會變大，其耦合常數很大。
然而，隨著高效能計算的出現，一種新技術出現了：萊迪思QCD技術。透過將時空視為具有非常小固有間距的離散網格，我們可以對更大規模的現象進行預測：QCD束縛態的約束，誇克-膠子電漿產生的條件，甚至對各種束縛態的品質進行預測，不僅包括質子和中子，還包括重束縛態和奇異束縛態。換句話說，雖然我們在 1990 年代無法計算出四誇克、五誇克和膠球的全套預期性質，但我們可以在 2020 年代進行計算——精確到只有幾個百分點的不確定性。
膠子不僅僅是將誇克結合在一起的粒子;它們也可能是將自己結合在一起形成稱為膠球的無誇克球的粒子。最輕的膠球狀態可以從電子-正電子對撞機中產生的粒子衰變中揭示出來。圖片來源：格拉斯哥大學/BNL
從理論上講，這些預測現在包括一個最輕的膠球狀態：它應該是一個偽純量，總自旋為0，沒有電荷，奇偶校驗，靜止品質在2.3到2.6 GeV/c² 之間。如果你想嘗試透過實驗創造這種膠球狀態，你最好的辦法是創造一個複合粒子，其品質略大於這個值，但其衰變會產生大量的膠子和強子：這是尋找膠球的理想場所。由於用現代技術生產它是多麽容易，而且因為它恰恰具有這些特性，J/ψ粒子的衰變通常被認為是尋找這些潛在膠球狀態的好地方。
每當一個J/ψ粒子被創造出來時，它大約有26%的機率會衰變成一個光子（然後可以衰變成含誇克的粒子或輕子-反輕子對），大約64%的機率會衰變成三個膠子，大約9%的機率會衰變成一個光子和兩個膠子。盡管大多數衰變都是平凡的，並且很好理解，但最輕的膠球的微小貢獻可能會導致其中一些衰變通道。特別是，如果 J/ψ 粒子衰變成：
一個光子，
一個 η' 粒子,
還有一對kaons或一對pions，
如果 η′ 與 Kaon/Pion 對對應於最輕的膠球狀態，則數據中可能會出現共振。
中國北京電子-正電子對撞機2號的BES III實驗以2至4.7 GeV的能量碰撞電子和正電子，以產生各種已知和以前未知的粒子，包括奇異的QCD態。多種四誇克態的發現已經來自這次合作，X（2370）現在成為可能的膠球粒子的令人興奮的候選者。圖片來源：BES III合作
有史以來為研究J/ψ粒子而建造的最大的「工廠」位於北京的電子-正電子對撞機，稱為北京光譜儀III（BES III），該對撞機於2008年開始以現代形式獲取數據。僅在第一年，BES III就積累了約2.26億個產生J/ψ粒子的事件，截至2023年底，累計數量現已超過100億J/ψ粒子。因此，即使是從這些衰變中出現的罕見事件和共振，現在也可以被探測。還發現了一些奇異態：一類稱為XYZ介子的粒子，現在已知包括四誇克等奇異態。
總而言之，透過BES III收集的數據，他們可以宣布一種稱為X（2370）的新複合粒子的明確證據，其中包括：
品質為 2.395 GeV/c²
自 0 的自旋，
大約0.000013的分支分數[意味著每76,000個J/ψ粒子中約有1個會衰變成包含X（2370）的東西]，
這似乎具有高達 11.7 σ的累積統計顯著性。
在粒子物理學中，一個顯著性超過5 σ的結果只有0.00006%的機率是統計學上的僥幸，而任何比這更重要的結果都超過了宣布真正發現的「黃金標準」。
最初，已知存在的唯一強子是三個誇克（重子）、三個反誇克（反重子）和誇克-反誇克對（介子）的組合。現在，已知還存在更多奇異的狀態，例如四誇克，包括此處所示的Z_c（3900）。膠球、五誇克和其他奇異生物仍然具有誘人和預期的可能性。圖片來源：APS/Alan Stonebraker
雖然該粒子最初被宣布為2.370 GeV/c² ，這就是為什麽它被稱為X（2370），但最新的實驗結果表明，它的品質更準確地說是2.395 GeV/c² ，實驗不確定度為0.011 GeV/c² 。同時，2019年發表的萊迪思QCD的最新理論結果預測品質為2.395±0.014 GeV/c² ，這表明實驗與理論之間存在驚人的一致性。這種粒子X（2370）存在，並且比以往任何時候都更好地測量其特性，這項最新研究是第一個測量其自旋和奇偶性的量子數的研究.
雖然所有這些都與該粒子是有史以來檢測到的第一個膠球一致，但是，仍然有理由保持謹慎。首先，已經發現了其他X介子，它們只是涉及誇克和反誇克組合的共振，而不是膠球。另一方面，從J/ψ衰變中觀察到的X（2370）的產生率有點太高，無法與膠球解釋一致，盡管該解釋仍在審查中。最後，對 X（2370） 測得的負奇偶校驗與它是偽純量而不是純量是一致的，但這只能與膠球解釋保持一致：而不是一個冒煙的訊號，表明它本質上確實是一個膠球。
J/ψ系統可以衰變成一個光子和兩個膠子，然後兩個膠子可以結合在一起，暫時產生一個X（2370）奇異粒子。雖然它的性質還不是100%確定，但將X（2370）解釋為膠球仍然令人信服，如果是這樣，它將是第一個透過實驗發現的膠球粒子。圖片來源：Physical Review Letters/Twitter
這項研究的核心問題是膠球是否存在，正如標準模型和QCD理論所預測的那樣，它們必須存在，以及X（2370）的觀測結果是否足以將其確立為膠球狀態本身。這些最新結果 - 歷史上最強大和最強大的結果 - 支持將X（2370）解釋為潛在的膠球狀態，並使我們更接近於將標準模型的這一關鍵方面進行關鍵測試。然而，在關於它的生產率和分支比率的問題得到充分回答之前，我們必須對這樣一個事實保持開放的態度，即這可能只是另一種「異國情調」的狀態，就像四誇克一樣，它不僅僅是由膠子組成的。
然而，由於超過100億J/ψ粒子的衰變，產生了數十萬個X（2370）粒子，我們現在已經可靠地測量了這種奇異粒子比以往任何時候都多的性質。它現在是膠球最引人註目、最有趣的候選者：一種應該存在的複合粒子，但以前從未見過。還需要做更多的工作來確定X（2370）粒子的全部性質，但這是有史以來向世界提出的膠球存在的最有力證據。如果自然界中不存在膠球，那麽標準模型就出現了一些新問題。然而，如果膠球確實存在，那麽X（2370）可能是第一個向人類揭示的膠球。
