Glueball: Physiker könnten ein lang ersehntes Teilchen entdeckt haben
Nach fast zwei Jahrzehnten der Suche berichtet ein Team von Physikern in China von starken Hinweisen auf ein rätselhaftes Teilchen, das sogenannte Glueball, das ausschließlich aus kraftübertragenden Teilchen besteht. Die Forschenden der Beijing Spectrometer III (BESIII)-Kollaboration stellten ihre Ergebnisse auf der Internationalen Konferenz für Hochenergiephysik im brasilianischen Natal vor. Demnach bestehe das 2011 entdeckte Teilchen namens X(2370) überwiegend aus Glueballs: Ansammlungen von Gluonen, den Elementarteilchen der starken Kernkraft, die Quarks zusammenhalten und damit den Atomkern stabilisieren.
Einen eindeutigen Beweis, dass X(2370) tatsächlich aus Glueballs besteht, gibt es laut dem Teilchenphysiker Bruce Yabsley von der University of Sydney noch nicht. Er hat die BESIII‑Ergebnisse geprüft und hält die über Jahrzehnte gesammelten Hinweise für sehr überzeugend. Sein Kollege Ulrik Egede von der Monash University in Melbourne sieht in der Arbeit der chinesischen Forschenden einen »ziemlich stichhaltigen Beleg«.
Der Nachweis von Glueballs würde belegen, dass Gluonen tatsächlich miteinander wechselwirken – wie es die Quantenchromodynamik voraussagt, die Quantentheorie der starken Kernkraft. Außerdem könne die Beobachtung von Glueballs zu einem Verständnis darüber beitragen, wie Masse entsteht, sagt Yabsley. Protonen bestehen aus Quarks, doch übersteigt die Masse des Protons die seiner Bestandteile um ein Vielfaches. Gluonen wiederum sind zwar masselos, doch die starken Wechselwirkungen zwischen ihnen erzeugen Masse.
Auf der Spur der Glueballs
Das BESIII-Experiment am Beijing Electron–Positron Collider II an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist besonders gut für die Erzeugung von Glueballs geeignet. Seit 2008 untersuchen Fachleute dort Kollisionen von Elektronen und Positronen. In diesen Prozessen entstehen kurzlebige Teilchen, die laut Theorie in Glueballs zerfallen könnten.
Die Physikerin Yanhping Huang entdeckte das Teilchen namens X(2370) während ihrer Doktorarbeit im Jahr 2011. »Das war damals sehr aufregend für uns«, sagt sie. X(2370) galt als möglicher Glueball, weil seine Masse zu den Vorhersagen der Quantenchromodynamik passt. Besonders bemerkenswert war für die Fachleute außerdem, dass X(2370) durch den Zerfall eines schwereren Teilchens auftrat, des J/ψ-Mesons. Theoretisch gilt dieser Zerfall als ideal dafür geeignet, um Glueballs hervorzubringen, erklärt der Teilchenphysiker Shan Jin von der Universität Nanjing, der die neuesten Ergebnisse auf der Konferenz in Brasilien präsentierte. Der Teilchenbeschleuniger BESIII kann große Mengen von J/ψ-Teilchen erzeugen und so deren Zerfälle detailliert untersuchen.
Doch trotz all dieser Hinweise sei es nicht auszuschließen gewesen, dass sich X(2370) aus anderen Teilchen zusammensetzt, sagt Yabsley. Deswegen werteten Huang und ihre Kollegen 13 Jahre lang knapp zehn Milliarden J/ψ-Zerfälle aus. 2024 konnten sie so den Spin-Paritätswert von X(2370) bestimmen – eine Quantenzahl, die das quantenmechanische Verhalten eines Teilchens beschreibt. Das Ergebnis stimmte mit den Vorhersagen für den leichtesten Glueball überein.
»Dieses neue Teilchen kann zu 80 Prozent ein Glueball und zu 20 Prozent ein Quark-Antiquark-Paar sein«Ulrik Egede, Physiker
Aber auch das reichte noch nicht für einen eindeutigen Beweis. Denn viele andere Teilchen können ähnliche Eigenschaften besitzen. Ab 2024 führte die BESIII-Kollaboration deshalb weitere Messungen zum Zerfall von X(2370) durch, die sie im Juli 2026 veröffentlichte. Die Physikerinnen und Physiker beschreiben X(2370) darin als »Flavour-Singulett« – ein entscheidendes Merkmal eines Glueballs. Demnach enthält es keine Quark-Flavour wie Up, Down oder Strange.
Dennoch müsse X(2370) kein reiner Glueball sein, sagt Jin, sondern könne eine Mischung aus Glueball und Quarks darstellen. Grund dafür sei eine Eigenheit der Quantenmechanik, die es erlaube, dass ein Teilchen gleichzeitig zwei Zustände einnehmen kann, erklärt Egede. »Dieses neue Teilchen kann also zu 80 Prozent ein Glueball und zu 20 Prozent ein Quark-Antiquark-Paar sein. Das ist durchaus möglich.« Die experimentellen Beobachtungen bestätigen aber, dass es überwiegend aus Glueballs besteht.
Die Fachleute verglichen die Eigenschaften von X(2370) mit verschiedenen theoretischen Modellen und kamen zu dem Schluss, dass sich die gesammelten Daten durch keinen alternativen Ansatz erklären lassen. In den kommenden Monaten wollen sie die Eigenschaften von X(2370) noch genauer vermessen. In Yabsleys Augen stehen die Forschenden damit am Anfang eines Weges, um diese rätselhaften Teilchen eines Tages zu verstehen.
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