베이징 분광기 III(BES III) 실험의 물리학자들은 글루볼의 존재에 대한 가장 강력한 증거를 발견했다고 발표했다. 글루볼은 순수한 글루온으로만 이루어진 신화 속 입자로, 양자 이론은 그 존재를 주장하지만 나타나기를 꽤나 주저해 왔다. 이 발견은 지난달 arXiv에 게재된 사전 인쇄본에 실렸고, 지난주 국제 고에너지 물리학 회의(ICHEP)에서 발표되었다.

기본으로 돌아가 보자: 여러분이 보는 모든 것은 쿼크로 이루어져 있고, 쿼크는 강한 핵력을 매개하는 글루온에 의해 결합되어 있다. 이 글루온(네, 정말 그 이름에서 유래했습니다)은 쿼크를 결합시켜 양성자와 중성자를 만들고, 이들은 원자의 핵을 형성한다. 수십 년의 탐색 끝에 2012년에 발견된 힉스 보손은 표준 모형의 마지막 조각으로 환영받았지만, 여전히 빠진 조각들이 있다 – 글루볼은 꽤 눈에 띄는 누락이다. 글루볼은 강한 힘의 이론인 양자 색역학(QCD)의 직접적인 예측이며, 여러 종류가 있어야 한다.

매튜 프랜시스가 2015년 Ars를 위해 설명했듯이, 글루볼은 물질이 질량을 가지는 이유의 일부이다. 힉스와 마찬가지로 질량과 관련이 있지만, 다른 방식으로: 양성자와 중성자의 질량 대부분은 쿼크에서 오는 것이 아니라 E=mc² 덕분에 쿼크를 결합하는 글루온의 에너지에서 온다. 글루온은 쿼크뿐만 아니라 서로에게도 달라붙기 때문에, 이론적으로 순수한 글루온으로만 이루어진 입자를 만들 수 있다. 그것이 글루볼이다.

수색은 1974년에 발견된 참 쿼크와 참 반쿼크를 가진 중간자인 J/ψ 입자에 초점을 맞추어 왔다. J/ψ 입자가 붕괴할 때 많은 글루온과 하드론을 생성하므로 글루볼 신호를 찾기에 최적의 장소이다. 입자가 글루볼 후보로 인정받으려면 스핀이 0이고 전하가 없으며 홀수 패리티를 가져야 하는 등 여러 조건을 충족해야 한다.

여기서 BES III가 등장한다. 이 실험은 바로 이 수색을 위해 설계된 전자-양전자 충돌기이다. 2008년에 데이터 수집을 시작했고 1년 만에 2억 2600만 개 이상의 사건을 기록했다. 가장 가벼운 글루볼의 가장 유력한 후보 중 하나는 2011년에 발견된 X(2370) 입자로, 초기 측정 질량은 2.370 GeV/C²로 격자 QCD의 예측치 2.395 GeV/C²보다 약간 낮았다.

2024년까지 BES III는 100억 개 이상의 J/ψ 사건을 기록하여 희귀 사건과 XYZ 중간자, 테트라쿼크 같은 이국적인 상태를 발견하고 X(2370)의 질량을 전례 없는 정확도로 측정할 수 있게 되었다. 팀은 예측된 질량 2.395 GeV/C²를 얻었고 – 이론과 잘 일치 – 스핀과 패리티도 QCD와 일치했다. 그래도 발견을 선언하기에는 충분하지 않았다.

하지만 이제 최신 결과는 X(2370)의 이전에 보고되지 않은 여러 붕괴 모드를 살펴본다. 분석 결과 X(2370)은 "맛 단일항"으로, 특정 쿼크 맛(위, 아래, 기묘)에 묶여 있지 않다는 것을 보여준다. 이는 주로 글루온으로 이루어져 있다는 중요한 단서이며, 협력단에 따르면 약 90%가 글루온으로 구성되어 있다. 이는 글루볼에 대해 예측된 세 가지 주요 특성과 일치하며, BES III 팀은 이를 증거의 완전한 사슬이라고 부른다.

"이것은 실험적 승리입니다,"라고 참여하지 않은 카네기 멜론 대학의 입자 물리학자 콜린 모닝스타가 Science에 말했다. "글루볼 성분이 지배하는 입자가 자연에 존재할 수 있다는 가장 강력한 증거입니다."

다음 단계는 독립적인 검증으로, 아마 중국에서 제안된 슈퍼 참-타우 공장(STCF)이나 미국 브룩헤이븐 국립 연구소에서 건설 중인 전자-이온 충돌기에서 이루어질 것이다. 하지만 현재 BES III만이 글루온 사냥에 전념하는 유일한 장비이므로 확인에는 시간이 걸릴 수 있다. 논문은 arXiv, 2026, DOI: 10.48550/arXiv.2607.20366에 있다.