[論文レビュー] New anomaly observed in $^{12}$C supports the existence and the vector character of the hypothetical X17 boson

A. Krasznahorkay, A. Krasznahorkay+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Scientific Research and Discoveries被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、1.50–2.50 MeVのプロトンエネルギーにおける11B(p,γ)12C反応において、e⁺e⁻対の異常な角度相関が観測されたことにより、仮説的なX17ボソンの存在に強い証拠が得られた。データは155–160°の大きな角度で顕著な過剰を示し、質量17.03 ± 0.11(stat) ± 0.20(syst) MeV/c²のベクトルボソンのE1媒介崩壊によって最もよく説明され、e⁺e⁻への分岐比は3.6(3)×10⁻⁶であった。これは、そのベクトル性と、8Beおよび4Heの崩壊における以前の異常と整合的であることを示している。

ABSTRACT

Employing the $^{11}$B(p,$γ$)$^{12}$C nuclear reaction, the angular correlation of $e^+e^-$ pairs was investigated in the angular range of $40^\circΘ\leq 175^\circ$ for five different proton energies between E$_p$ = 1.50 - 2.50 MeV. At small angles ($Θ\leq 120^\circ$), the results can be well interpreted by the internal pair creation process of electromagnetic radiations with E1 and M1 multipolarities and by the external pair creation in the target backing. However, at angles greater than $120^\circ$, additional count excess and anomalies were observed, which could be well accounted for by the existence of the previously suggested hypotetical X17 particle. Our results show that the X17 particle was generated mainly in E1 radiation. The derived mass of the particle is $m_\mathrm{X}c^2$=17.03$\pm 0.11 (stat) \pm 0.20 (syst)$ MeV. According to the mass, and to the derived branching ratio ($B_x=3.6(3) imes10^{-6}$), this is likely the same X17 particle, which we recently suggested for describing the anomaly observed in the decay of $^8$Be and $^4$He.

研究の動機と目的

• 11B(p,γ)12C核反応で生成されたe⁺e⁻対の角度相関を調査し、X17ボソンの存在を探索すること。
• E1遷移における生成を分析することで、X17ボソンの多重度およびベクトル性を特定すること。
• X17ボソンの質量および分岐比が、8Beおよび4Heの崩壊における以前の観測と整合的であるかを検証すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、インバリアント質量測定における系統的不確実性を制約すること。
• X17ボソンがE1遷移を経て生成され、ベクトル性を有するという理論的予測を検証すること。

提案手法

• ATOMKIの2 MV Tandetron加速器を用い、1.50–2.50 MeVのプロトンエネルギーで11B(p,γ)12C核反応を実施した。
• 期待される電磁気的崩壊過程からの逸脱を検出するため、40°–175°の範囲でe⁺e⁻対の角度相関を測定した。
• 背景（N_Bg × PDF(exp)）と信号（N_Sig × PDF(sig)）の寄与をモデル化するために、二成分強度関数（INT）を用いた。
• GEANTを用いて、仮説的なX粒子の2体崩壊の信号PDFをシミュレートし、質量に依存するe⁺e⁻開口角分布の補間を実施した。
• RooFitを用いてデータをフィットし、別々のフィットでX粒子の質量を固定し、最適な質量を特定するために可変化させた。
• 主にビームスポット位置のずれに起因する系統的不確実性（±0.20 MeV）は、モンテカルロシミュレーションを用いて推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 11B(p,γ)12C反応におけるe⁺e⁻対の角度相関は、X17ボソンの存在と整合する異常を示すか？
• RQ2 このE1遷移におけるX17ボソンの生成メカニズムの多重度は何か？
• RQ3 X17ボソンの質量および分岐比は、8Beおよび4Heの崩壊における以前の観測と整合的か？
• RQ4 大角度（155–160°）での観測された過剰は、e⁺e⁻対へのベクトルボソン崩壊によって説明可能か？
• RQ5 データは、X17ボソンがE1遷移を経て生成され、ベクトル性を有するという理論的予測を支持するか？

主な発見

• 155–160°の大きな角度で、e⁺e⁻対の顕著な過剰が観測され、5つのビームエネルギーのうち4つでピーク構造が確認された。
• 仮説的なX17粒子のインバリアント質量は17.03 ± 0.11(stat) ± 0.20(syst) MeV/c²と決定され、8Beおよび4Heにおける以前の測定と整合的であった。
• X17のγ崩壊に対するe⁺e⁻への分岐比は3.6(3)×10⁻⁶と測定され、理論的予測と一致した。
• 観測された異常は、ベクトルボソンのE1崩壊によって最もよく説明され、Fengら（fe20）の予測するX17粒子のベクトル性を支持した。
• 複数のビームエネルギーにおける質量および分岐比の整合性は、X17信号の安定性と信頼性を確認した。
• 結果は、X17ボソンがE1遷移を経て生成されることを、運動論的および多重度的証拠として強く支持し、第五力の候補としての役割を強化した。