Описание: Материю удерживает взаимодействие глюонов. Оказалось, это взаимодействие может существовать самостоятельно — без материи.
Учёные получили наиболее убедительные на данный момент свидетельства существования глюбола — необычной частицы, состоящей почти полностью из глюонов. На протяжении примерно пяти десятилетий глюбол являлся предсказанием квантовой хромодинамики, которое долгое время не удавалось подтвердить экспериментально. В настоящее время накопленные сведения о частице X(2370) соответствуют сразу нескольким характеристикам, прогнозируемым для самого лёгкого псевдоскалярного глюбола. Завершающее доказательство было получено благодаря анализу новых вариантов распада X(2370), проведённому на оборудовании BESIII.
Длительные поиски объясняются специфическими особенностями сильного ядерного взаимодействия. Ядра атомов образованы протонами и нейтронами, которые в свою очередь состоят из кварков. Удерживают кварки вместе глюоны. Глюоны передают сильное взаимодействие подобно тому, как фотоны передают электромагнитное, но между ними существует принципиальное отличие. Фотоны электрически нейтральны и слабо взаимодействуют между собой. Глюоны обладают цветовым зарядом, благодаря чему могут взаимодействовать и с кварками, и между собой.
Квантовая хромодинамика, описывающая сильное взаимодействие, предусматривает интересное следствие: глюоны могут соединяться между собой без участия кварков, формируя отдельную частицу. Такое связанное состояние называют глюболом. Теория предсказывает множество видов глюболов с разнообразными массами и характеристиками, но экспериментально подтвердить существование даже одного из них оказалось крайне сложно. Глюбол существует слишком короткое время для прямого наблюдения и быстро распадается на иные частицы, чем затрудняет его обнаружение и отличие от распадов обычных адронов.
Глюоны играют значительную роль в образовании массы вещества. Механизм Хиггса наделяет массой фундаментальные частицы, в том числе кварки, однако масса кварков объясняет лишь малую часть массы протона или нейтрона. Преобладающую часть даёт кинетическая энергия кварков и энергия сильного взаимодействия между ними. По формуле E=mc² энергия увеличивает массу системы. Поэтому обнаружение глюбола подтверждает важнейшее свойство квантовой хромодинамики: могут ли переносчики сильного взаимодействия образовать независимое связанное состояние без обычной кварковой основы.
Удобным источником глюонов оказался J/ψ-мезон, открытый в 1974 году. Данная частица образована очарованным кварком и очарованным антикварком и при распаде создаёт среду, богатую глюонами. Поэтому исследователи уже давно применяют радиационные распады J/ψ (сопровождаемые испусканием фотона) для выявления частиц с существенной глюонной составляющей. Эксперимент BESIII на Пекинском электрон-позитронном коллайдере BEPCII специально разработан для изучения подобных процессов.
Изучение X(2370) началось в 2011 году, когда BESIII выявил новую частицу при радиационных распадах J/ψ. Название отражает её массу, приблизительно равную 2,37 ГэВ/c². Частица сразу привлекла внимание исследователей: теоретические расчёты квантовой хромодинамики предсказывали легчайший псевдоскалярный глюбол в близкой области масс. Однако совпадение только по одному параметру было недостаточным. Обычный мезон или иная кварковая комбинация могли обладать похожей массой, поэтому требовалось определить квантовые числа и детально проанализировать процессы распада X(2370).
Требуемый объём данных BESIII собрал через несколько лет. Исследователи располагали 10 миллиардами зафиксированных событий J/ψ. Такая огромная выборка позволила выделять редкие распады X(2370) и значительно точнее определять характеристики частицы. В 2024 году проведённый анализ выявил, что X(2370) обладает квантовыми числами J^PC = 0⁻⁺. Первое число обозначает нулевой полный угловой момент, остальные параметры характеризуют пространственную и зарядовую инверсию. Набор 0⁻⁺ соответствует псевдоскалярной частице и совпадает с прогнозом для легчайшего псевдоскалярного глюбола. Определённая масса также соответствовала теоретическим расчётам.
Несмотря на совпадение массы и квантовых характеристик, появилась иная проблема. Определённые обычные мезоны способны обладать аналогичными квантовыми параметрами, поэтому исследователям требовалась возможность проверить внутреннее устройство X(2370). Последнее исследование акцентировало внимание на кварковом аромате, то есть типе кварка. К кварковым ароматам относятся верхний, нижний, странный и очарованный кварки. Обычный мезон состоит из кварка и антикварка, поэтому его характеристики зависят от определённой комбинации ароматов. У глюбола основную роль играют глюоны, и теория не прогнозирует явного преобладания одного кваркового аромата.
Для проверки этого исследователи проанализировали несколько ранее не изучённых вариантов распада X(2370). Особое внимание уделили возможному распаду X(2370) → K*(892)⁰K̅⁰ и его зарядово-сопряжённому аналогу в цепочке J/ψ → γK⁰ₛK⁰ₛπ⁰. Статистически значимых сигналов не зафиксировано. Произведение вероятностей соответствующих распадов не превышало 2,7 × 10⁻⁶ при уровне доверия 90%. Подавление канала K*(892)K свидетельствует, что X(2370) является синглетом по аромату: внутренняя организация частицы не связана с преобладанием одного конкретного кваркового аромата. По результатам BESIII, X(2370) стал первым известным лёгким адроном-синглетом по аромату с массой более 1 ГэВ/c².
Это открытие восполнило существенный пробел в совокупности экспериментальных свидетельств. Масса X(2370) соответствует диапазону, предсказанному для легчайшего псевдоскалярного глюбола. Квантовые числа равны 0⁻⁺. Частица часто возникает при богатых глюонами радиационных распадах J/ψ. Характер её распадов подобен поведению ηc, псевдоскалярного состояния очарованного кварка и антикварка. Дополнительными аргументами служат синглетность по аромату, небольшие парциальные ширины определённых распадов и подавленные радиационные распады с образованием ω- и φ-мезонов. Авторы работы пришли к выводу, что полный набор свойств логично объясняется преобладанием легчайшего псевдоскалярного глюбола в структуре X(2370), в то время как прочие гипотезы не могут одновременно объяснить все определённые характеристики.
Упоминание о преобладании глюбола существенно для точности формулировки. Полученные данные не утверждают, что X(2370) состоит из глюонов на сто процентов и совсем не содержит кварков. В квантовой хромодинамике состояния с совпадающими квантовыми числами могут перемешиваться. Реальная частица способна совмещать глюонные и кварковые компоненты, поэтому физики описывают X(2370) как состояние с преобладающей компонентой легчайшего псевдоскалярного глюбола. Именно такое объяснение подтверждается совокупностью измерений BESIII.
Поиск занял около 15 лет только после открытия X(2370), а сам глюбол физики пытаются экспериментально обнаружить приблизительно на протяжении полувека. Результаты исследований BESIII были опубликованы 22 июля 2026 года, затем представлены на Международной конференции по физике высоких энергий ICHEP 2026. Работа объединяет результаты многолетних измерений массы, квантовых чисел, частоты возникновения и различных путей распада X(2370).
Следующий этап требует независимой верификации. Иное исследовательское учреждение должно обнаружить X(2370) и подтвердить её идентичные свойства, прежде всего квантовые числа, типы распадов и синглетность по кварковому аромату. В настоящее время BESIII имеет исключительно большой архив распадов J/ψ, поэтому повторить полный анализ на другом приборе сложно. Независимое подтверждение поможет установить, действительно ли исследователи после многолетних попыток открыли первое известное состояние материи, где главную роль выполняют взаимодействующие между собой глюоны.
