Physiker finden mysteriöse „Glueballs“ | Bild der Wissenschaft

Gluonen sind die Vermittlerteilchen der starken Kernkraft – der Kraft, die die kleinsten Bausteine der Materie zusammenhält. Sie binden die Quarks aneinander, aus denen beispielsweise Protonen und Neutronen bestehen, und erzeugen dabei einen Teil der Masse dieser Atomkernbausteine. Die Vermittlung der starken Kernkraft geschieht dabei über sogenannte Farbladungen (Flavours), die sowohl Quarks als auch Gluonen tragen.

Gibt es Teilchen nur aus Gluonen?

Doch die Gluonen haben noch eine Besonderheit: Anders als Photonen und andere Vermittlerteilchen der Grundkräfte können sie auch miteinander reagieren: „Die Quantenchromodynamik (QCD) sagt Selbstinteraktionen zwischen Gluonen voraus und das würde es Gluonen erlauben, gebundene Zustände zu bilden – Glueballs“, erklären Physiker der BESIII-Kollaboration am Beijing Electron Positron Collider (BEPC).

Wenn es solche nur aus Gluonen bestehenden Glueballs gäbe, wären sie in der Teilchenwelt einzigartig. Denn es gibt keine anderen Teilchen, die nur aus Trägern einer Grundkraft, sogenannten Eichbosonen bestehen, wie die Physiker erklären. Gleichzeitig wäre der Nachweis von Glueballs eine wichtige Bestätigung für die Quantenchromodynamik, die Theorie, die die starke Wechselwirkung beschreibt. Entsprechend intensiv suchen Physiker schon seit Jahrzehnten nach diesen „Gluonenbällen“.

Blick auf den Teilchendetektor BESIII am Beijing Electron Positron Collider. — © BESIII Collaboration

Ein Teilchen namens X(2370) im Visier

Jetzt könnten die Physiker der BESIII-Kollaboration den bisher klarsten Beleg für Glueballs gefunden haben. Kandidat dafür ist ein schon 2011 erstmals beobachtetes Teilchen namens X(2370). Dieses wurde nach Kollisionen von Positronen und Elektronen im BEPC-Beschleuniger in Peking entdeckt. Es entsteht, wenn sogenannte J/ψ-Mesonen zerfallen – Teilchen aus einem Charm-Quark und dessen Antimaterie-Gegenstück, dem Anti-Charm-Quark. „Die Zerfälle von J/ψ-Mesonen gelten als idealer Ort, um nach Glueballs zu suchen“, erklären die Physiker.

Tatsächlich zeigten schon die ersten Messungen vielversprechende Übereinstimmungen mit den Vorhersagen der Quantenchromodynamik: „Die Masse von X(2370) liegt bei 2,3 Gigaelektronenvolt und stimmt mit den QCD-Vorhersagen für den leichtesten Glueball überein“, berichtet das Team. 2024 gelang es ihnen, die Spin-Parität des Teilchens zu bestimmen. Mit einem Wert von 0-+ – entsprach auch dies den theoretischen Erwartungen.

Ist X(2370) ein Flavour-Singlet?

Doch das allein reicht nicht aus, um die Identität von X(2370) eindeutig zu bestimmen – es fehlte noch ein entscheidendes Merkmal: „Die wichtigste Eigenschaft der Glueballs ist ihre Singlet- Farbladung“, erklären die Physiker. Das bedeutet: Die Farbladungen der einzelnen Gluonen müssten sich im Glueball gegenseitig aufheben. Dadurch ist dieses Teilchen in Bezug auf seine Farbladung neutral.

Um dies nachzuweisen, haben die Forschenden der BESIII-Kollaboration gut zehn Milliarden Zerfälle von J/ψ-Mesonen im BEPC-Beschleuniger ausgewertet und dabei nach einem bestimmten Indiz gesucht. Denn der Theorie nach unterdrückt die Präsenz eines farbneutralen Teilchens wie des Glueballs einen bestimmten Zerfallsweg. Zeigen sich im Detektor daher keine Spuren dieses Zerfalls, ist dies ein starkes Indiz dafür, dass X(2370) tatsächlich farbneutral ist – und damit möglicherweise ein Glueball.

Alle Merkmale eines Glueballs

Das Ergebnis: „Wir haben keine Hinweise auf diesen Zerfallsweg gefunden“, berichtet das BESIII-Team. „Die Unterdrückung des K*(892)K̄-Zerfallsmodus spricht dafür, dass the X(2370) ein Flavour-Singlet ist.“ Nach Angaben der Forschenden stützt dies zusammen mit den Resultaten der früheren Analysen die Annahme, dass die leichtesten Glueballs die Hauptkomponente dieses Teilchens sind. „Andere Interpretationen können die Merkmalskombination von X(2370) nicht schlüssig erklären“, so die Physiker.

Damit könnte dieses exotische Teilchen der bisher eindeutigste Beleg für die Existenz von Glueballs sein – den schon vor gut 50 Jahren vorhergesagten Teilchen aus Gluonen. Sollte sich dies bestätigen, wäre dies eine wichtige Bestätigung auch für die Theorie der Quantenchromodynamik und damit einer der Fundamente der Teilchenphysik.

Quelle: BESIII Collaboration, International Conference on High Energy Physics 2026; ArXiv-Preprint, 2026; doi: 10.48550/arXiv.2607.20366