کشف احتمالی «گلوبال» در چین؛ ذره‌ای عجیب که عمدتاً از گلوئون‌ها تشکیل شده است

جهان فیزیک ذرات پر از پدیده‌های عجیب است، اما برخی از آن‌ها حتی در مقیاس ذرات بنیادی نیز غیرمعمول به نظر می‌رسند. اکنون گروهی از پژوهشگران چینی شواهد تازه‌ای ارائه کرده‌اند که می‌تواند به شناسایی یکی از عجیب‌ترین حالت‌های پیش‌بینی‌شده در فیزیک ذرات، یعنی «گلوبال» (Glueball) کمک کند؛ حالتی هادرونی که در ساده‌ترین توصیف، از گلوئون‌های به‌هم‌پیوسته تشکیل شده است.پروتون و نوترون هرکدام از سه کوارک تشکیل شده‌اند و ترکیب رنگی این سه کوارک در مجموع یک حالت تکین رنگی و در نتیجه خنثی از نظر بار رنگ ایجاد می‌کند.

گلوئون‌ها حامل نیروی هسته‌ای قوی هستند؛ همان‌طور که فوتون‌ها حامل نیروی الکترومغناطیسی‌اند. گلوئون‌ها مانند فوتون‌ها جرم سکون ندارند، اما برخلاف فوتون‌ها، خودشان حامل بار رنگ هستند و می‌توانند با یکدیگر برهم‌کنش کنند. نیروی هسته‌ای قوی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است و نقش اساسی در ساختار ماده دارد. این نیرو کوارک‌ها را درون ذراتی مانند پروتون و نوترون به هم متصل و در نهایت به شکل‌گیری هسته‌ی اتم‌ها کمک می‌کند.

توصیف تمام برهم‌کنش‌های مذکور در چارچوب نظریه‌ای به نام «کرومودینامیک کوانتومی» یا QCD انجام می‌شود. در این نظریه، کوارک‌ها و گلوئون‌ها دارای نوعی ویژگی به نام «بار رنگ» هستند. واژه‌ی رنگ در اینجا هیچ ارتباطی با رنگی که با چشم می‌بینیم ندارد و صرفاً نامی قراردادی برای توصیف یک ویژگی کوانتومی است.

ذراتی که در طبیعت به‌صورت آزاد مشاهده می‌شوند باید از نظر بار رنگ خنثی باشند. برای مثال، پروتون و نوترون هرکدام از سه کوارک تشکیل شده‌اند و ترکیب رنگی این سه کوارک در مجموع یک حالت تکین رنگی و در نتیجه خنثی از نظر بار رنگ ایجاد می‌کند. مزون‌ها نیز از یک کوارک و یک پادکوارک تشکیل می‌شوند و بار رنگ آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کند.

اما گلوئون‌ها وضعیت متفاوتی دارند، زیرا علاوه بر انتقال نیروی هسته‌ای قوی، خودشان نیز بار رنگ دارند و به همین دلیل می‌توانند با یکدیگر برهم‌کنش کنند. همین ویژگی به‌طور نظری امکانی را فراهم می‌سازد تا گلوئون‌ها به یکدیگر متصل شوند و حالت‌های مقید چندگلوئونی تشکیل دهند.

یکی از حالت‌های پیش‌بینی‌شده «گلوبال» است؛ یک حالت هادرونی مرکب که در ساده‌ترین توصیف، از گلوئون‌های به‌هم‌پیوسته تشکیل شده و برخلاف پروتون‌ها و نوترون‌ها، کوارک‌های ظرفیتی جزء سازنده اصلی آن نیستند.

به‌گزارش آی‌اف‌ال ساینس، پژوهشگران برای جست‌وجوی چنین ذره‌ای به سراغ آزمایش BESIII در مرکز شتاب‌دهنده‌ی الکترون-پوزیترون پکن (Beijing Spectrometer III (BES III)) رفتند. این آشکارساز برای مطالعه‌ی ذراتی از جمله مزون J/ψ طراحی شده است. مزون J/ψ از یک کوارک افسون و پادکوارک افسون تشکیل شده و به‌شدت ناپایدار است؛ بنابراین در مدت بسیار کوتاهی به ذرات دیگر واپاشی می‌کند. به‌ویژه واپاشی‌های تابشی J/ψ محیطی غنی از گلوئون ایجاد می‌کنند و به همین دلیل، یکی از بهترین بسترها برای جست‌وجوی گلوبال‌ها به‌شمار می‌روند.

پژوهشگران در سال ۲۰۲۴ گزارش کردند که ذره‌ای به نام X(2370) ویژگی‌هایی دارد که با مشخصات مورد انتظار برای سبک‌ترین گلوبال شبه‌اسکالر سازگار است. این ذره پیش‌تر نیز در داده‌های آزمایش BESIII مشاهده شده بود، اما ماهیت دقیق آن همچنان مورد بحث بود.

اکنون پژوهشگران در مقاله‌ای پیش‌انتشار و همچنین، در ارائه‌ای در کنفرانس بین‌المللی فیزیک انرژی‌های بالا، نتایج تازه‌ای از بررسی X(2370) ارائه کرده‌اند. یافته‌های جدید از این تفسیر پشتیبانی می‌کنند که X(2370) دارای مؤلفه‌ای غالب از سبک‌ترین گلوبال با اعداد کوانتومی JPC=0−+ است.

براساس تحلیل پژوهشگران، توضیح ویژگی‌های X(2370) با فرض وجود مؤلفه‌ی غالب گلوبال می‌تواند جرم، اسپین و پاریته، نرخ تولید بالای آن در واپاشی‌های تابشی J/ψ و الگوی واپاشی‌هایش را توضیح دهد. پژوهشگران می‌گویند سایر تفسیرهای پیشنهادی برای این ذره در حال حاضر با مجموعه‌ی ویژگی‌ها سازگاری کمتری دارند.

بااین‌حال، یافته تازه هنوز به معنای شناسایی قطعی گلوبال نیست. تأیید ماهیت X(2370) به‌عنوان یک حالت عمدتاً گلوئونی به شواهد تجربی و بررسی‌های مستقل بیشتری نیاز دارد؛ زیرا گلوبال‌ها می‌توانند با سایر حالت‌های هادرونی برهم‌آمیخته شوند و تعیین ماهیت دقیق آن‌ها را دشوار کنند.

آزمایش BESIII به‌دلیل توانایی خود در تولید و مطالعه‌ی واپاشی‌های J/ψ یکی از مناسب‌ترین ابزارها برای ادامه‌ی جست‌وجو است. اگر نتایج آینده نیز ماهیت عمدتاً گلوئونی X(2370) را تأیید کنند، این ذره می‌تواند نخستین گلوبال شناسایی‌شده در طبیعت و یکی از مهم‌ترین آزمون‌های تجربی کرومودینامیک کوانتومی باشد.

یافته‌ها در پایگاه داده‌ی آرکایو منتشر شده و در انتظار داوری علمی است.