怎样判断长胶球的旋转：实验首次证实三胶子胶球存在
怎样判断长胶球的旋转：实验首次证实三胶子胶球存在2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]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
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
