[論文レビュー] A new anomaly observed in $^4$He supports the existence of the hypothetical X17 particle

A. Krasznahorkay, M. Csatlós+8 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Apr 20, 2021

Nuclear physics research studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、510–900 keVの陽子エネルギーにおける$^3$He(p,γ)$^4$He反応において、~115°の$e^+e^-$角度相関に説明のつかないピークが観測され、これは質量$m_{\mathrm{X}}c^2 = 16.94 \pm 0.12\,\text{(stat)} \pm 0.21\,\text{(syst)}$ MeVの仮説的な軽いボソンの生成と崩壊によって最もよく説明される。この質量は、以前に提案されたX17粒子と整合しており、異なる核系からX17粒子の存在を独立して裏付ける証拠を提供する。

ABSTRACT

Energy-sum and angular correlation spectra of $e^+e^-$ pairs produced in the $^{3}$H(p,$γ$)$^{4}$He nuclear reaction have been studied at $E_p$=510, 610 and 900 keV proton energies. The main features of the spectra can be understood by taking into account the internal and external pair creations following the direct proton radiative capture by $^{3}$H. However, these processes cannot account for the observed peak around 115$^\circ$ in the angular correlation spectra. This anomalous excess of $e^+e^-$ pairs can be described by the creation and subsequent decay of a light particle during the direct capture process. The derived mass of the particle is $m_\mathrm{X}c^2$=16.94$\pm0.12 (stat) \pm 0.21 (syst)$~MeV. According to the mass and branching ratio ($B_x=5.1(13) imes10^{-6}$), this is likely the same X17 particle, which we recently suggested [Phys. Rev. Lett. 116, 052501 (2016)] for describing the anomaly observed in the decay of $^8$Be.

研究の動機と目的

• 低エネルギー陽子における$^3$He(p,γ)$^4$He核反応における$e^+e^-$対生成を調査し、標準的な電磁過程では説明できない異常を探索すること。
• ~115°における$e^+e^-$角度相関の過剰ピークが、仮説的なX17ボソンのような新しい軽い粒子の存在に起因するかどうかを特定すること。
• 元の$^8$Be観測とは異なる核系（$^4$He）でX17ボソンの質量と分岐比を測定することで、X17ボソン仮説の整合性を検証すること。
• デタクタのアップグレードにより、サインチレーターとPMチューブを二面シリコンストリップ検出器（DSSD）に置き換え、望遠鏡構成を強化することで、実験的精度を向上させ、系統的不確実性を低減すること。

提案手法

• 実験は、ATOMKIの2 MV Tandetron加速器を用い、510、610、900 keVのエネルギーで陽子を三重水素標的に照射し、$^4$Heの励起状態を励起した。
• 4.2 mg/cm²の厚さのTi被覆三重水素標的を液体窒素温度に冷却し、三重水素の損失を防ぎ、ビームスクリーニング効果を最小限に抑えるために軸外に配置した。
• 6台の望遠鏡を用いた検出系は、DSSD検出器（50×50 mm²、3 mmストリップ幅、500 μm厚さ）とサインチレーター（82×86×80 mm³）を組み合わせ、$e^+e^-$対のエネルギー和と角度相関を測定した。
• 角度相関スペクトルは、内部および外部対生成（IPC）と新しい粒子崩壊の寄与をフィット解析した。後者は、軽いボソンの相対論的2体崩壊としてモデル化された。
• フィット解析は40–70°の角度範囲で実施され、ビーム位置および標的のアライメント誤差のシミュレーションにより系統的不確実性を推定した。
• $e^+e^-$対のインヴァリアント質量を再構築し、~115°における角度相関スペクトルの過剰ピークにフィットすることで、X17ボソンの質量と分岐比を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された~115°における$^3$He(p,γ)$^4$He反応の$e^+e^-$角度相関の過剰ピークは、内部および外部対生成といった既知の電磁過程によって説明可能か？
• RQ2 異なる陽子ビームエネルギーにおける$^4$He生成における観測された異常は、約17 MeVの質量を持つ新しい軽いボソンの存在を支持するか？
• RQ3 仮説的なX17粒子の質量と分岐比は、$^8$Beと$^4$Heといった異なる核系で一貫しているか？
• RQ4 ビーム位置および標的アライメントの系統的不確実性は、X17ボソンの測定質量にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 510、610、900 keVの全3つの陽子ビームエネルギーにおいて、~115°の角度相関スペクトルに$e^+e^-$対の顕著な過剰が観測され、900 keV実験では局所的有意水準が最大8.9σに達した。
• 角度相関スペクトルにおける異常ピークは、内部および外部対生成プロセスだけでは説明できず、これらはよく理解されており、主なスペクトル特徴を説明している。
• 過剰は、質量が$m_{\mathrm{X}}c^2 = 16.94 \pm 0.12\,\text{(stat)} \pm 0.21\,\text{(syst)}$ MeVの新しい軽い粒子の生成と崩壊によって最もよく説明される。この質量は、$^8$Be崩壊で観測されたX17粒子と整合している。
• X17崩壊による$e^+e^-$対への分岐比は$B_x = 5.1(13) \times 10^{-6}$と測定され、$^8$Be系で観測された値と整合している。
• 得られたX17質量は、$^8$Be実験で報告された$16.70 \pm 0.35$ (stat) $\pm 0.5$ (syst) MeVの値と非常に良好に一致しており、同一の新粒子の存在を支持する。
• 異なるビームエネルギーにおける異常のエネルギー依存性は、E1遷移による直接捕獲の理論的予測と一致しており、中間励起状態を経由しないX17生成メカニズムを支持する。