L'expérience BESIII confirme pour la première fois l'existence des boules de gluons

Le 6 août, heure de Beijing, la collaboration internationale de l'expérience du Spectromètre III de Beijing (BESIII) menée sur le collisionneur électron-positon de Beijing a annoncé, lors d'un rapport spécial présenté à la Conférence internationale de physique des hautes énergies (ICHEP 2026) tenue au Brésil, que grâce à 15 années de recherches continues, l'expérience BESIII a établi une chaîne complète de preuves démontrant l'existence des boules de gluons, résolvant ainsi le mystère qui intriguait la communauté scientifique depuis près d'un demi-siècle. Cette découverte fournit non seulement une validation décisive de la théorie de la “chromodynamique quantique”, mais démontre également l'existence d'une toute nouvelle forme de matière —— une matière constituée purement de “forces”.

Le noyau atomique est composé de protons et de neutrons, eux-mêmes composés de quarks. Les quarks interagissent entre eux par l'intermédiaire des gluons qui transmettent la force d'interaction forte, tout comme les photons transmettent la force d'interaction électromagnétique. Mais la particularité des gluons réside dans le fait que les photons ne s'attirent pas eux-mêmes, tandis que les gluons s'attirent mutuellement. Par conséquent, les gluons peuvent s'attirer entre eux et former une toute nouvelle particule —— la boule de gluons.

Dans la théorie physique décrivant l'interaction forte, la “chromodynamique quantique”, la boule de gluons est une prédiction extrêmement importante, car c'est la seule particule constituée de “propagateurs de force”. Cependant, pendant un demi-siècle, les expériences n'ont jamais réussi à trouver la boule de gluons. L'existence ou non de la boule de gluons constitue un test crucial pour cette théorie physique et demeure l'une des grandes questions scientifiques encore non résolues à ce jour.

Le collisionneur électron-positon de Beijing est capable de produire en grande quantité les particules J/psi découvertes par M. Samuel C.C. Ting. Ces particules se désintègrent instantanément en d'autres particules plus légères. Théoriquement, le processus de désintégration du J/psi est très favorable à la production de boules de gluons, constituant l'une des meilleures voies pour les rechercher. La recherche expérimentale des boules de gluons est d'ailleurs l'un des objectifs physiques prioritaires du collisionneur électron-positon de Beijing depuis plusieurs décennies.

En 2011, la collaboration BESIII a découvert une nouvelle particule, X(2370), dans les produits de désintégration du J/psi, suspectée d'être une boule de gluons. Après 13 années d'efforts, ils ont déterminé pour la première fois en 2024, en utilisant 10 milliards de particules J/psi, les nombres quantiques de spin et de parité de X(2370). Sa masse correspond parfaitement aux prédictions théoriques de la chromodynamique quantique sur réseau pour une boule de gluons possédant les mêmes nombres quantiques, marquant ainsi une étape décisive dans la détermination de sa véritable identité.

Récemment, l'équipe de recherche dirigée conjointement par le professeur Jin Shan de l'Université de Nanjing et la chercheuse Huang Yanping de l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences a franchi une nouvelle étape majeure : ils ont découvert plusieurs nouveaux modes de désintégration de la particule X(2370) et ont pour la première fois mesuré une autre de ses caractéristiques d'“identité” clés —— sa propriété de “singlet de saveur”.

La propriété de “singlet de saveur” est la caractéristique la plus importante d'une boule de gluons. Les particules ordinaires comme les protons et les neutrons contiennent des quarks de différentes “saveurs”, tels que les quarks up, down, étrange, etc., tandis que la boule de gluons est constituée purement de gluons, sans information de “saveur”, appartenant ainsi au “singlet de saveur”. Les derniers résultats expérimentaux ont réussi à déterminer que X(2370) est un “singlet de saveur”.

Ainsi, grâce à une série d'études menées sur 15 ans, l'expérience BESIII a établi une chaîne complète de preuves expérimentales allant de la masse, des nombres quantiques à la propriété de “singlet de saveur”, confirmant que le composant principal de X(2370) est précisément la boule de gluons que les physiciens recherchaient depuis près d'un demi-siècle.

Il s'agit du résultat expérimental le plus concluant dans la recherche des boules de gluons depuis près de cinquante ans. Il valide clairement la prédiction théorique majeure selon laquelle “les gluons peuvent s'auto-associer pour former une nouvelle forme de matière”, et démontre également les avantages uniques du collisionneur électron-positon de Beijing dans l'étude de l'interaction forte. Depuis la modernisation majeure du collisionneur électron-positon de Beijing achevée en 2008, le détecteur BESIII a accumulé plus de 10 milliards d'événements J/psi, devenant ainsi le leader mondial incontesté dans la région d'énergie tau-charme. Cette découverte est l'exemple même de la synergie entre l'accumulation continue de données, la mesure de précision et la collaboration internationale.

Il est à noter que la Conférence internationale de physique des hautes énergies est une conférence mondiale organisée tous les deux ans, et seules les annonces de résultats exceptionnellement majeurs donnent lieu à l'ajout de rapports spéciaux.

Le Spectromètre III de Beijing (BESIII) est un grand détecteur de physique des particules installé sur le collisionneur électron-positon de Beijing (BEPCII). Sa collaboration internationale est composée d'environ 700 scientifiques issus d'environ 96 instituts de recherche répartis dans 15 pays. L'expérience se concentre sur la recherche de précision en physique dans la région d'énergie tau-charme et a obtenu une série de résultats de classe mondiale dans les domaines de la spectroscopie hadronique, de la physique du charme, de la physique du tau et de la recherche de nouvelle physique. Le travail efficace des équipes de maintenance et d'exploitation du détecteur BESIII et de l'accélérateur du collisionneur électron-positon de Beijing lors de la collecte des données, ainsi que celui de l'équipe du logiciel hors ligne de BESIII et du centre de calcul de l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences dans l'analyse des données, a garanti cette découverte.

Beijing Spectrometer III (BESIII) : le détecteur Spectromètre III de Beijing (BESIII)