[論文レビュー] Observation of the X17 anomaly in the $^7$Li($p$,$e^+e^-$)$^8$Be direct proton-capture reaction

N. J. Sas, A. Krasznahorkay+9 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Nuclear physics research studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、650 keV、800 keV、1100 keVのプロトンビームエネルギーにおける $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be直接プロトン捕獲反応でX17異常を観測した。これは、質量 $m_{\mathrm{X}}c^{2} = 16.95 \pm 0.10$（統計）$\pm$ 0.21（系統）MeVの仮説的プロトファビン・ベクトルボソンの存在を確認するものである。この異常は、140°付近での $e^+e^-$ 角相関の過剰として観測され、理論的予測である張とミラーの予想およびフェンらのプロトファビン・ベクトルボソンモデルに一致する直接E1プロトン捕獲によるX17粒子生成を支持する。

ABSTRACT

Angular correlation spectra of $e^+e^-$ pairs produced in the $^{7}$Li($p$,$γ$)$^{8}$Be nuclear reaction have been studied at the sharp $E_p$= 441 keV resonance as well as at $E_p$= 650 keV, 800 keV and 1100 keV proton beam energies. The spectra measured at the resonance can be understood through the M1 internal pair creation process, but in the case of the off-resonance regions (direct proton capture) significant anomalies were observed in the $e^+e^-$ angular correlations supporting the X17 hypothetical particle creation and decay.

研究の動機と目的

• X17異常が、以前に $^8$Be核遷移で観測されたものと同様に、非共鳴プロトンビームエネルギーにおける $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Beの直接プロトン捕獲過程でも継続的に観測されるかを調査すること。
• 張とミラーが予測したように、17.6 MeV共鳴エネルギーを超える領域でX17生成が直接E1捕獲遷移によって支配的であるという理論的予測を検証すること。
• M1およびE1内部対生成過程からのバックグラウンド寄与を再評価することで、過去のデータと現在のデータの乖離を解消すること。
• 複数のビームエネルギーにおけるX17粒子の質量および分岐比が一貫しているかを確認し、軽いプロトファビン・ベクトルボソンとしてのX17の存在を支持すること。

提案手法

• 441 keV（共鳴）、650 keV、800 keV、1100 keVのエネルギーを持つプロトンビームを用いて、$^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be反応を実施した。
• アルミニウム基板上に蒸着された厚さ300 $\mu$g/cm$^2$ のLiFおよびLi$_2$Oターゲットを用い、ターゲットの安定性を向上させるとともに、同一ターゲットを用いた共鳴および非共鳴測定を可能にした。
• シンチレーターと二重面シリコンストリップ検出器（DSSD）を組み合わせた検出器系を用い、$e^+e^-$ 対のエネルギー、時間、および角相関を測定した。
• エネルギー和スペクトルおよび $e^+e^-$ 対の角相関を解析し、和エネルギーが17.6 MeV遷移エネルギーと一致することを要件として信号事象を抽出した。
• M1およびE1内部対生成過程からのバックグラウンド寄与をモデル化するため、モンテカルロシミュレーションを実施し、検出器の応答および受容度を評価した。
• 過去のデータを更新されたバックグラウンドモデルを用いて再評価し、ビームエネルギーによる異常の可視性の違いを解消した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴エネルギーにおける $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Beの直接プロトン捕獲過程でX17異常が観測されるか？
• RQ2 観測された角相関の過剰は、張とミラーの理論的予測（X17が主にE1直接捕獲によって生成される）を支持するか？
• RQ3 800 keVでの初期測定では異常が明確に見えなかったが、なぜ後続のデータでは明確に観測されたのか？
• RQ4 複数のビームエネルギーにおける測定されたX17粒子の質量および分岐比は一貫しており、普遍的な生成メカニズムを支持するか？

主な発見

• 650 keV、800 keV、1100 keVのすべての非共鳴ビームエネルギーで、140°付近で $e^+e^-$ 角相関の過剰が観測され、X17粒子生成と整合的である。
• 導出されたX17粒子の質量は $m_{\mathrm{X}}c^{2} = 16.95 \pm 0.10$（統計）$\pm$ 0.21（系統）MeVであり、以前に報告されたX17質量（16.70 MeV）と非常に良好に一致している。
• 450 keVでの異常は高エネルギー領域に比べて著しく小さく、非一様なエネルギー依存性を示唆するが、依然としてX17生成と整合的である。
• 異常はM1状態の17.6 MeV $^8$Be状態からのM1崩壊ではなく、直接E1プロトン捕獲によって最もよく説明される。バックグラウンドモデルは、共鳴付近でのみ強いM1寄与を示すためである。
• 更新されたバックグラウンドモデルを用いて800 keVでの過去データを再分析した結果、異常は存在していたが、誤ったバックグラウンド仮定によって隠れていたことが判明し、過去の矛盾が解消された。
• 結果はフェンらのプロトファビン・ベクトルボソンモデルおよび張とミラーの理論的予測と整合的であり、軽い核においてX17生成の普遍的結合メカニズムを支持する。