Physiker haben vielleicht endlich den schwer fassbaren Glueball erwischt – und es brauchte nur 10 Milliarden Teilchenkollisionen

Physiker am Beijing Spectrometer III (BES III) haben das ihrer Meinung nach stärkste Indiz für die Existenz von Glueballs zutage gefördert – jene mythischen Teilchen, die vollständig aus Gluonen bestehen, die die Quantentheorie zwingend fordert, die sich aber bisher eher bedeckt gehalten haben. Die Ergebnisse erschienen letzten Monat als Preprint auf arXiv und wurden letzte Woche auf der International Conference on High Energy Physics (ICHEP) präsentiert.

Lassen Sie uns zu den Grundlagen zurückgehen: Alles, was Sie sehen, besteht aus Quarks, die von Gluonen zusammengehalten werden, den Trägern der starken Kernkraft. Diese Kleber (ja, daher kommt wirklich der Name) binden Quarks zu Protonen und Neutronen, die die Kerne der Atome bilden. Das Higgs-Boson, das 2012 nach jahrzehntelanger Suche entdeckt wurde, wurde als letztes Puzzleteil des Standardmodells gefeiert, aber es fehlen immer noch Teile – Glueballs sind ein ziemlich offensichtliches. Sie sind eine direkte Vorhersage der Quantenchromodynamik (QCD), der Theorie der starken Kraft, und es sollte sogar mehrere Varianten geben.

Wie Matthew Francis 2015 für Ars erklärte, sind Glueballs ein Grund dafür, dass Materie Masse hat. Wie das Higgs sind sie mit Masse verbunden, aber auf andere Weise: Der größte Teil der Masse von Protonen und Neutronen stammt nicht von Quarks, sondern von der Energie der Gluonen, die sie binden, dank E=mc². Gluonen haften auch aneinander, nicht nur an Quarks, so dass man theoretisch ein Teilchen aus reinen Gluonen bauen kann – ohne Quarks. Das ist der Glueball.

Die Jagd konzentrierte sich auf das J/ψ-Teilchen, ein Meson mit einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark, das 1974 entdeckt wurde. Wenn J/ψ-Teilchen zerfallen, erzeugen sie einen Haufen Gluonen und Hadronen, was sie zu einem erstklassigen Jagdrevier für Glueball-Signaturen macht. Damit ein Teilchen als Glueball-Kandidat gilt, muss es unter anderem einen Spin von null, keine elektrische Ladung und eine ungerade Parität haben.

Hier kommt BES III ins Spiel, ein Elektron-Positron-Beschleuniger, der speziell für diese Jagd entwickelt wurde. Er begann 2008 mit der Datenerfassung und hatte innerhalb eines Jahres über 226 Millionen Ereignisse aufgezeichnet. Einer der stärksten Kandidaten für den leichtesten Glueball ist das X(2370)-Teilchen, das dort 2011 entdeckt wurde, mit einer anfänglich gemessenen Masse von 2,370 GeV/c², knapp unter der von der Gitter-QCD vorhergesagten 2,395 GeV/c².

Bis 2024 hatte BES III über 10 Milliarden J/ψ-Ereignisse gesammelt, was es ermöglichte, seltene Ereignisse und exotische Zustände wie XYZ-Mesonen und Tetraquarks zu entdecken und X(2370) mit beispielloser Genauigkeit zu vermessen. Das Team erhielt eine vorhergesagte Masse von 2,395 GeV/c² – eine schöne Übereinstimmung mit der Theorie – sowie Spin und Parität, die mit der QCD übereinstimmen. Dennoch war das noch nicht genug, um eine Entdeckung zu verkünden.

Aber jetzt betrachten die neuesten Ergebnisse mehrere zuvor nicht berichtete Zerfallskanäle von X(2370). Die Analyse zeigt, dass es ein "Flavour-Singulett" ist, was bedeutet, dass es nicht an eine bestimmte Quark-Flavour (up, down oder strange) gebunden ist – ein entscheidender Hinweis darauf, dass es überwiegend aus Gluonen besteht, zu etwa 90% nach Angaben der Kollaboration. Das entspricht den drei wichtigsten vorhergesagten Eigenschaften für einen Glueball, was das BES-III-Team als eine vollständige Beweiskette bezeichnet.

"Es ist ein experimenteller Triumph", sagte Colin Morningstar, ein Teilchenphysiker an der Carnegie Mellon University, der nicht beteiligt war, gegenüber Science. "Es ist der stärkste Beweis bisher, dass Teilchen, die von einer Glueball-Komponente dominiert werden, in der Natur existieren können."

Als Nächstes steht die unabhängige Verifikation an, vielleicht an der vorgeschlagenen Super Tau-Charm Facility (STCF) in China oder am Electron-Ion Collider, der am Brookhaven National Laboratory in den USA gebaut wird. Aber BES III ist derzeit die einzige Maschine, die sich ausschließlich der Jagd auf Gluonen widmet, also könnte die Bestätigung noch eine Weile dauern. Das Papier ist auf arXiv, 2026, DOI: 10.48550/arXiv.2607.20366.