[論文レビュー] New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle

A. Krasznahorkay, M. Csatlós+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 47

ひとこと要約

著者らは4Heの21.01 MeV 0−→0+遷移におけるe+e−ピークを7.2σで観測したと報告し、X17と解釈。質量は約16.8–17.0 MeVで非常に狭い幅で、Be-8 X17異常を支持する。

ABSTRACT

We observed electron-positron pairs from the electro-magnetically forbidden M0 transition depopulating the 21.01 MeV 0$^-$ state in $^4$He. A peak was observed in their $e^+e^-$ angular correlations at 115$^\circ$ with 7.2$σ$ significance, and could be described by assuming the creation and subsequent decay of a light particle with mass of $m_\mathrm{X}c^2$=16.84$\pm0.16 (stat) \pm 0.20 (syst)$ MeV and $Γ_\mathrm{X}$= $3.9 imes 10^{-5}$ eV. According to the mass, it is likely the same X17 particle, which we recently suggested [Phys. Rev. Lett. 116, 052501 (2016)] for describing the anomaly observed in $^8$Be.

研究の動機と目的

• Be-8異常が示唆するX17粒子の存在を動機づけ、検証する。
• 別の原子核（4He）と遷移（21.01 MeV, 0−→0+ M0）へ探索を拡張し、X17仮説を裏付ける。
• 角度相関と不変質量分布を用いてX17信号を定量化し、既知のE0遷移と比較する。
• X17崩壊幅と質量を推定し、以前のX17測定との整合性を評価する。
• 標準模型を超えるシナリオへの影響を論じ、関連する実験的努力を概説する。

提案手法

• Ep = 900 keVで3H(p,γ)4He反応を用いて4Heの21.01 MeV 0−状態を作成する。
• 六つの望遠鏡検出器とDSSDアレイを用いてe+e−対を検出し、複数方位角で配置する。
• 60°の相対角対から角度相関を用いて背景を差し引き、X17信号を分離する。
• X17の二-body崩壊として信号をモデル化し、RooFitフレームワークで質量を補間する。
• 相関のない対とGEANT4/GEANT3シミュレーションで効率を較正; フィットからmXとΓXを抽出する。
• 横断断面比を用いてΓXを計算する: ΓX/ΓE0 = (σ(X17)/σ(E0)) × (Γtot(0+)/Γtot(0−))、既知のΓE0と共鳴比を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4Heの21.01 MeV遷移にはX17崩壊と一致する異常なe+e−角度相関が現れるか。
• RQ2 この4Heデータから推定されるX17粒子の質量mXはBe-8のX17結果と適合するか。
• RQ3 この遷移におけるX17ボゾンの部分崩壊幅ΓXはいくらで、Be-8分析の期待値とどう比較されるか。
• RQ4 ターゲット位置とビーム場所を含む背景と系統的不確実性に対して観測信号は頑健か。
• RQ5 異なる核遷移間で単一のX17粒子の主張を強化するか。

主な発見

• 115°近傍でe+e−角度相関のピークが7.2σの有意性。
• フィットされたX17質量mXc2 = 16.84 ± 0.16 (stat) ± 0.20 (syst) MeV。
• 推定されたX17崩壊幅 ΓX = 3.9×10^(−5) eV。
• 不変質量解析はmXc2 = 17.00 ± 0.13 MeV (系統誤差 ±0.20 MeV 合計)。
• 質量値はBe-8のX17測定と不確実性の範囲内で一致し、共通のX17粒子を支持する。
• 角度相関と不変質量分布を通じて一貫した図を示す。