五代科學人探索“力”構成的物質！40年“膠球”尋寶記

北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）探測器。中國科學院高能物理研究所供圖

“一個人一生中能有幾次參與這種重大發現的機會？”帶著這樣的期待，一群青年科研人員願意一次次把錯誤答案推翻、重新開始。基礎研究常常要走很遠，才能向前邁出一小步。我們推出“沉潛”專欄，把目光放在那些常年紮根高校、科研院所一線的青年科研人員，他們在研究什麼，遇到了哪些難題，又為什麼堅持？致敬長期主義，致敬每一位把冷板凳“坐熱”、用科學拓展認知邊界的人。

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早上7點，中國科學院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”）的實驗室裏，電腦螢幕上的品質譜還亮著。

那是2009年，北京正負電子對撞機（BEPC）上的北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）剛開始取得J/ψ粒子（1974年由丁肇中和伯頓·裏克特發現的粒子，因其衰變方式多樣且有利於膠球産生，被認為是尋找膠球的最佳途徑之一——記者注）數據不久。當時還是學生的黃燕萍，本想用新數據確認此前發現的X（1835）粒子，卻在譜線上意外看見了另外兩個峰——X（2120）和X（2370）。

“一下子看到了三個峰，我們當時特別興奮。”如今已是高能所研究員的黃燕萍回憶。那一晚，她和導師金山（時任高能所研究員，現任南京大學物理學院教授）一直留在辦公室裏反覆擬合數據、描述信號和本底，直到早晨7點終於得到擬合結果。兩小時後，他們又趕上去遼寧的火車，把剛拿到的結果帶到BESⅢ合作組會議上。

當時誰也不會想到，團隊會圍繞這個名為X（2370）的粒子開啟一場10餘年的長跑。

北京時間8月6日，在巴西舉行的國際高能物理大會上，金山教授代表BESⅢ實驗國際合作組以大會特別報告形式宣佈：經過15年的持續研究，北京譜儀Ⅲ實驗已建立證明膠球存在的完整證據鏈，X（2370）的主要成分正是物理學家尋找了近半個世紀的膠球。

把物質不斷拆小到原子層面，原子核裏有質子和中子，它們均由夸克組成。夸克之間之所以能牢牢“粘”在一起，靠的是傳遞強相互作用的膠子。與傳遞電磁相互作用的光子不同，膠子彼此之間也能發生強烈作用。量子色動力學因此預言：膠子可能彼此“抱團”，形成一種不含夸克的束縛態——膠球。

通俗地説，這是一種由傳遞“力”的粒子自身結合而成的物質形態。理論早在半個世紀前就指出它可能存在，但怎樣在紛繁複雜的粒子“海”中認出它，一直是未解決的難題。

2009年發現的X（2370），離“發現膠球”還很遠。黃燕萍打了個比方：看到一個東西的品質和黃金一樣，並不能證明它就是黃金。

2011年，X（2370）的發現正式發表。它的品質恰好落在理論預言的膠球附近，令人興奮，但這只能説明“長得像”。接下來，團隊必須回答一連串更苛刻的問題：它的量子身份是不是理論預言的那一種？它如何産生、如何衰變？這些行為是否符合膠球應有的特徵？能不能排除其他普通粒子的解釋？在接下來的15年裏，團隊一直在探索X（2370）的真實身份。

其中最難啃的一塊“硬骨頭”，是量子數測量。金山告訴中青報·中青網記者，團隊自發現X（2370）後就不斷嘗試，許多方案都因複雜本底等因素失敗。直到新的衰變過程被找到，團隊才有機會在更“乾淨”的環境中辨認它。據團隊成員介紹，要在100億個J/ψ粒子事例中，處理複雜的量子干涉、嘗試不同組合，如同“大海撈針”，光是量子數測量就花了三年。

2024年，團隊終於測定X（2370）的關鍵量子數，與格點量子色動力學的理論預期相符。“只有把量子數建立起來之後，才能把實驗結果與理論進行比較。”黃燕萍説。

不過，要真正“驗明正身”，還缺一塊重要拼圖——“味單態”。金山解釋稱，“味”在粒子物理領域不是舌頭嘗到的味道，而是區別不同夸克種類的標簽。膠球不含夸克，因此不應該偏愛某一種“味”。“如果説此前品質和量子數像是一個人的身高、年齡等身份資訊，那麼‘味單態’更像是一項能把膠球與含夸克粒子拉開距離的關鍵特徵。”

過去，最直接的辦法是將不同“味”的末態一道道測出來，將其與味對稱的預期進行比較。“但末態測量過程中可能受干涉效應影響，導致誤差非常大，很難獲得絕對的定論。”金山説。

2024年，團隊找到了另一條“捷徑”：不必把所有可能性逐一測出，而是尋找一種理論上應被顯著壓低的特殊衰變模式。如果“該低的確實低了”，便能從另一面確認它的味單態性質。

實驗結果最終吻合預期。但團隊還沒有急著慶祝。

今年以來，高能所先後組織5次理論與實驗聯合討論。來自高能所、北京大學、中國科學院理論物理研究所、中國科學院大學、蘭州大學等單位的研究者不斷“挑毛病”：還有沒有一種含夸克的粒子能夠解釋這些數據？哪個角落還沒有排除？有質疑，就回到數據裏再檢查一遍。

中國科學院院士趙光達説，自己在這個過程中一直“非常謹慎”，“我們要防止出錯，就必須把每一步都能夠真正地落實，沒有什麼疑點”。直到一個個可能性被充分推敲並排除，證據才逐漸閉合。

膠球之所以重要，也正在於這個“確認”過程回答了一個基本問題：描述強相互作用的量子色動力學不僅預言膠子之間能夠自相互作用，這種作用真的可以把膠子束縛成一種新的粒子。

高能所研究員黃濤認為，這並不意味著“品質起源”問題已經被回答，而是讓科學家多了一條繼續追問的路徑。金山表示，膠球中不含夸克，因此它的品質不能簡單歸因于通常所説的希格斯機制（解釋基本粒子如何獲得品質的物理機制——記者注），而與強相互作用密切相關；因此，它也為人們理解物質品質從何而來打開了一扇新的實驗窗口。

兩代加速器、三代探測器、五代科研人

如果把時間再往前撥，這項成果的起源遠不止2009年。

“我剛才數了一下，五代人。”中國科學院院士王貽芳在採訪現場環視著團隊成員説，“人是五代人，加速器是兩代，探測器是三代。”

膠球從20世紀70年代量子色動力學建立之初就被預言出來。中國科學家在20世紀80年代建設北京正負電子對撞機時，便已將尋找膠球列為重要科學目標。此後，從中國第一台高能加速器北京正負電子對撞機（BEPC）到升級後的BEPCⅡ，從BES到BESⅢ，裝置不斷迭代，尋找也從未停止。

“40年堅持下來並不容易。”王貽芳回憶，有人做到一半選擇離開，也有人覺得問題太難，轉向更容易取得結果的方向；但一代代科研人員仍接續向前。在這項成果背後，加速器、探測器、軟體、數據處理等環節有數百人長期提供支撐。

黃濤記得，20世紀90年代，實驗上也曾出現過很像膠球的候選者，理論研究者據此討論出一系列判斷膠球身份的特徵。“但受限于當時的數據量，最終無法給出確切結論。”

以往的研究雖然沒有成為如今的“成果性發現”，卻留下了一套後來者能夠繼續使用的路標。在1995年讀博臨近畢業期間，金山因為在實驗中看到一個很像膠球的粒子，於是便“一個勁地做，想把它做得越全越好”，最後直到導師黃濤催促，才集中一個月寫完博士論文。30多年後，當團隊重新判斷X（2370）的身份時，金山當年研究的關於特殊衰變等思路，又重新派上了用場。

團隊為了獲得足夠清晰的信號，通過BESⅢ最終積累了超過100億個J/ψ事例。而這些數據的背後，是一台大科學裝置幾十年的生長。

北京正負電子對撞機在1988年建成，2009年升級為BEPCⅡ，北京譜儀也自1988年至今連續更疊三代。升級後的對撞機亮度大幅提升，過去很難積累的數據，如今能夠以更高效率取得。黃濤解釋稱，如果説加速器提供了海量碰撞數據，探測器就像科學家的“眼睛”，“眼睛分辨不好”，即使有海量數據，也看不見真正有意義的信號。

“十五五”規劃綱要中指出，“加強原始創新和關鍵核心技術攻關”，“全面提升基礎研究水準。加強基礎研究戰略性、前瞻性、體系化佈局，統籌推進目標導向和自由探索的基礎研究。”

“基礎研究要取得這樣的成果，離不開國家和社會長期持續的支援。一個問題可能要做15年、30年甚至更久，因此，看待基礎研究必須有長遠眼光。”黃濤説。

年輕人在“熱板凳”上接過接力棒

40年的探索，除了穩定運作的大科學裝置，更需要年輕科研力量的全身心投入。而良好的科研生態，可以讓年輕人在面對重大課題時不必獨自承擔所有風險。

黃燕萍坦言，測量X（2370）關鍵量子數的題目，曾有學生表示猶豫或拒絕，也有學生做了兩年後選擇換題。一個項目不知道幾年才能做出來，對年輕科研人員意味著論文、畢業和職業發展的多重不確定性。

最終接下這塊“硬骨頭”的，是如今28歲的高能所博士後張鵬。張鵬回憶，自己當時的目標很簡單，也很執拗：“不管它是膠球還是什麼東西，我一定要把它的自旋宇稱測出來。”

相關論文恰好在張鵬畢業那一年發表。回頭看，他覺得那是一段“比較艱難的過程”，但也正是在這個過程中，張鵬在黃燕萍、金山等老師的指導下，一點點補上了對膠球、實驗方法和理論預期的理解。

兩年前，26歲的高能所博士生石碩加入時，團隊正在追尋“味單態”這最後一塊關鍵證據。

“其實當時我們已經得到X（2370）粒子味單態證據的相關數據結果，但仍然需要嚴謹的物理分析把它證實，這一步非常困難。”石碩表示，當初自己剛加入時也擔心過題目太難、結果不確定，但在實驗過程中，前輩的指導和幫助讓自己越來越有信心。

過去兩年裏，團隊把晚上8點固定為討論時間，一週除週六外幾乎每天都線上上碰頭。石碩一次沒缺席，而且常常是第一個彙報——因為最新結果往往從他手裏出來。

春節前，黃燕萍問大家假期後打算什麼時候回來。“學生們主動提出初五、初六就回來，想儘快接著做。不是我們要求，是他們自己很主動。”她説。

24歲的南京大學物理學院研究生尹琪欽，則是在大四期間遇到這道選擇題。一邊是已在進行的宇宙學相關研究，一邊是在大四下學期前往高能所分析更具挑戰性的X（2370），他糾結了大約一個小時，選了後者。

進入高能所參與研究之後，尹琪欽發現科研並不只是長時間坐在電腦前。“甚至和師兄平日吃飯時也會聊新的想法，暢想還能在哪尋找膠球，作為學生來講，我覺得還是非常有趣的。”當時還是本科生的尹琪欽很快在X（2370）粒子品質聯合測量的擬合方法中作出關鍵性貢獻。

“一個人一生中能有幾次參與這種重大發現的機會？”金山研究膠球30餘年，對物理的興趣，一直是他的精神動力。金山的母親總擔心他做科研太累太苦，他回答：“我從沒覺得苦，每次想到一個新的方法，或者看到學生把一個新想法實現，我會感到特別興奮。”

金山認為，通常導師們主意多經驗足，年輕人則有更強的電腦技術和編程能力；一個提出物理想法，一個快速把它變成可以檢驗的數據分析，再在討論中互相促進，形成一種新的互動。

王貽芳笑著説，這支團隊談不上坐“冷板凳”，“他們的板凳非常熱，天天被催著”。

此次的成果，也為接下來的研究打下了基礎。理論預言中，膠球不是孤零零的一顆，而應當有一個更豐富的“譜係”。趙光達表示，現有成果並不意味著膠球研究已經結束，還要繼續尋找其他量子數的膠球，並進一步確認其性質。團隊計劃借助北京正負電子對撞機的後續升級，提高亮度、獲得更多數據，把這顆剛剛“驗明正身”的粒子看得更清楚。

中青報·中青網記者 王璟瑄來源：中國青年報

2026年09月18日 08版