فیزیکدانان وجود ذره «گلو بال» را تأیید کردند؛ معمای ۵۰ ساله نیروی هسته‌ای قوی حل شد

پس از ۵۰ سال جستجو، فیزیکدانان وجود یک «گلو بال» (Glueball) را تأیید کردند؛ ذره‌ای که برخلاف ماده، تماماً از حامل‌های نیرو ساخته شده است. همکاری BESIII به رهبری چین، این نقطه عطف را در کنفرانس بین‌المللی فیزیک انرژی بالا در برزیل اعلام کرد و واضح‌ترین شواهد را مبنی بر اینکه ذره‌ای به نام X(2370) عمدتاً از گلوئون‌های در حال تعامل تشکیل شده است، ارائه داد.[1][3][5]

در مدل استاندارد فیزیک ذرات، ماده معمولی که ستارگان، سیارات و انسان‌ها را تشکیل می‌دهد، از کوارک‌ها ساخته شده است. این کوارک‌ها توسط نیروی هسته‌ای قوی به هم متصل می‌شوند که توسط ذرات زیراتمی بدون جرم به نام گلوئون‌ها واسطه می‌شوند. در حالی که فوتون‌ها حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند و بدون تعامل از کنار یکدیگر عبور می‌کنند، گلوئون‌ها «بار رنگی» نیروی قوی را حمل می‌کنند و فعالانه یکدیگر را جذب می‌کنند.[1][2]

به دلیل این جاذبه متقابل، کرومودینامیک کوانتومی (QCD) – نظریه‌ای که برهم‌کنش قوی را توصیف می‌کند – در دهه ۱۹۷۰ پیش‌بینی کرد که گلوئون‌ها می‌توانند به یک ذره بدون رنگ و بدون ماده متصل شوند. با این حال، یافتن یک گلو بال خالص در میان بقایای آشفته برخوردهای ذرات، بسیار دشوار بوده است. گلو بال‌ها دارای محدوده‌های جرمی مشابه جفت‌های کوارک-پادکوارک معمولی هستند، به این معنی که به راحتی با حالت‌های مزون معمولی ترکیب می‌شوند و در نویز کوانتومی پنهان می‌مانند.[1][4][6]

این پیشرفت بر روی آشکارساز BESIII در شتاب‌دهنده الکترون-پوزیترون پکن متمرکز است. این تأسیسات الکترون‌ها و پوزیترون‌ها را در انرژی‌های دقیق به هم می‌کوبد تا مقادیر زیادی مزون J/ψ تولید کند. از آنجایی که واپاشی J/ψ محیطی غنی از گلوئون ایجاد می‌کند، این شتاب‌دهنده به عنوان یک شکارگاه ایده‌آل برای ذرات گریزان عمل می‌کند. تیم BESIII برای اولین بار ذره X(2370) را در این بقایای واپاشی در سال ۲۰۱۱ مشاهده کرد.[3][4][5]

شناسایی این ذره به حجم بی‌سابقه‌ای از داده‌ها نیاز داشت. طی ۱۵ سال، این همکاری بین‌المللی – متشکل از صدها دانشمند از ۱۵ کشور – ۱۰ میلیارد رویداد واپاشی J/ψ را بررسی کردند. در سال ۲۰۲۴، آنها با موفقیت اسپین و پاریته X(2370) را اندازه‌گیری کردند و اعداد کوانتومی آن را 0⁻⁺ تعیین کردند. این نتیجه کاملاً با پیش‌بینی‌های QCD شبکه‌ای برای سبک‌ترین گلو بال شبه‌اسکالر مطابقت داشت و حالت مشاهده شده را با مدل‌های نظری همسو کرد.[1][3][6]

گام نهایی و تعیین‌کننده شامل تجزیه و تحلیل نحوه واپاشی ذره بود. محققان اخیراً چندین حالت واپاشی جدید برای X(2370) کشف کردند و ماهیت «تک‌طعم» (flavor-singlet) آن را تأیید کردند. از آنجایی که گلوئون‌ها دارای «طعم‌های» متمایزی نیستند که انواع مختلف کوارک‌ها را مشخص می‌کند، یک گلو بال واقعی باید بدون نشان دادن ترجیح برای هیچ طعم کوارک خاصی واپاشی کند. این ویژگی مدرک قطعی را ارائه داد و تأیید کرد که جزء غالب X(2370) در واقع یک گلو بال است.[1][3][5]

جامعه بین‌المللی فیزیک این نتیجه را یک پیروزی تجربی خوانده است. فیزیکدانان نظری خاطرنشان کردند که در حالی که گلو بال‌ها از قوی‌ترین پیش‌بینی‌های نظریه کوانتومی هستند، جداسازی یکی از آنها نیازمند دستگاهی بود که به طور منحصر به فرد برای این کار مناسب باشد و دهه‌ها تجزیه و تحلیل دقیق. این یافته چارچوب نظری نحوه عملکرد نیروی قوی در انرژی‌های پایین را تأیید می‌کند.[3][4]

تأیید گلو بال یک آزمون مستقیم از ساختار پیمانه‌ای غیرآبلی کرومودینامیک کوانتومی ارائه می‌دهد. با اثبات اینکه حامل‌های نیرو به تنهایی می‌توانند به هم متصل شوند تا به طور پویا جرم تولید کنند، این کشف مکانیک بنیادی برهم‌کنش قوی را روشن می‌کند. این کشف ستون حیاتی مدل استاندارد را تثبیت می‌کند و بینش‌های عمیقی در مورد نحوه به هم چسبیدن جهان مرئی ارائه می‌دهد.[1][3][5]