[論文レビュー] Observation of the X17 anomaly in the decay of the Giant Dipole Resonance of $^8$Be

A. Krasznahorkay, A. Krasznahorkay+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2023

Nuclear physics research studiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、4.0 MeVの陽子エネルギーにおける$^7$Li($p$, $\gamma$) $^8$Be反応から得られた$e^{+}e^{-}$ペアの角度相関測定を用いて、$^8$Beにおけるグルーブ・ダイポール共振（GDR）の崩壊においてX17粒子の初回観測を報告している。データは約120°および140°以上で異常な過剰が観測されており、仮説的な16.95 ± 0.48 MeV/c²の粒子の生成と崩壊によってよく説明され、これは以前に$^8$Beおよび$^4$He遷移で観測されたX17ボソンと整合的である。

ABSTRACT

Angular correlation spectra of $e^+e^-$ pairs produced in the $^{7}$Li($p$,$γ$)$^{8}$Be nuclear reaction were studied at a proton beam energy of $E_p$~=~4.0~MeV, which corresponds to the excitation energy of the Giant Dipole Resonance (GDR) in $^8$Be. The spectra measured show a peak like anomaly at 120$^\circ$ and a broader anomaly also above 140$^\circ$. Both anomalies could consistently be described by assuming that the same hypothetical X17 particle was created both in the ground-state transition and in the transition going to the broad ($Γ$=1.5~MeV), first excited state in $^8$Be. The invariant mass of the particle, which was derived to be $m_Xc^2 = 16.95 \pm 0.48$(stat.)~MeV, agrees well with our previously published values.

研究の動機と目的

• GDR崩壊におけるX17粒子の存在を調査すること。
• 以前に$^8$Beおよび$^4$He遷移で観測されたX17異常が、$J^\pi = 1^-$を有する広帯域共鳴であるE1崩壊のGDRにおいても現れるかどうかを検証すること。
• この新しい崩壊チャネルにおけるX17粒子のインヴァリアント質量を決定し、以前の測定値と整合性があるかを評価すること。
• 異なる多重性および幅の特性を有する別の核遷移での崩壊を観測することにより、X17粒子のスピン/パリティの割り当てを評価すること。

提案手法

• 4.0 MeVの陽子エネルギーで$^7$Li($p$, $\gamma$) $^8$Be反応を実施し、$^8$BeにおけるGDRを励起した。
• 110°に配置された2つの粒子望遠鏡を用いた簡略化された分光計で、$e^{+}e^{-}$ペアの角度相関を測定した。
• $\gamma$線スペクトルをLaBr3検出器で測定し、GDRが基底状態および第一励起状態（$2_1^+$）に遷移する過程を確認した。
• RooFitを用いて、内部ペア生成（IPC）とX17崩壊からの信号成分の両方を含む、$e^{+}e^{-}$角度相関データのフィットを実施した。
• X17質量（10–18 MeV/c²）の関数として、E1およびM1遷移（IPC）およびX17が基底状態および$2_1^+$状態に崩壊する確率密度関数（PDF）をシミュレーションした。
• 背景（E1、M1）と信号（X17）の両方を含むフィッティング関数（INT）を適用し、信号の強度とX17質量を自由パラメータとしたが、両崩壊チャネルにおけるX17質量は同一と固定した。

Figure 1: Tipical $\gamma$ -ray spectrum measured for the 7 Li( $p$ , $\gamma$ ) 8 Be nuclear reaction at $E_{p}$ = 4.0 MeV

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X17異常は、$\Gamma = 5.3$ MeVを有する広帯域共鳴である$^8$BeのGDRのE1崩壊に現れるか？
• RQ2 約120°および140°以上で観測された$e^{+}e^{-}$角度相関の過剰は、1つの仮説的X17粒子の崩壊によって説明可能か？
• RQ3 GDR崩壊におけるX17粒子のインヴァリアント質量は、$^8$Beおよび$^4$He遷移での以前の測定値と整合的か？
• RQ4 GDR崩壊におけるX17生成の、基底状態と$2_1^+$励起状態への相対的分岐比はいかほどか？
• RQ5 異なる核遷移での観測結果は、X17粒子がベクトル型または軸性型の性質を有することを支持するか？

主な発見

• 120°付近および140°以上で$e^{+}e^{-}$角度相関に異常な過剰が観測され、新しい粒子の存在を示唆した。
• 内部ペア生成（IPC）と仮説的X17粒子の崩壊からの信号成分を含むフィットにより、データがよく説明された。
• X17粒子のインヴァリアント質量は、$m_Xc^2 = 16.95 \pm 0.48$ MeV（統計的不確かさ）として測定され、以前の結果と整合的であった。
• X17がGDRの基底状態と$2_1^+$状態に崩壊する強度比は、$\alpha_{\text{ground}}/(1 - \alpha_{\text{ground}}) = 0.08 \pm 0.19$ と求められ、$\gamma$線強度比（0.18 ± 0.02）と1$\sigma$以内で整合的であった。
• X17信号を含むフィットの有意水準は10$\sigma$を超えており、極めて顕著な観測結果であった。
• GDRのE1崩壊におけるX17の観測は、その崩壊様式がこのような状態の期待と一致することから、X17粒子がベクトル型または軸性型ボソンであると解釈するのを支持する。

Figure 2: Experimental acceptance of the spectrometer as a function of correlation angle ( $\theta$ ) for consecutive, uncorrelated e + e - pairs (red line histogram) compared with the results of the MC simulations (blue line histogram) as explained in the text.