[논문 리뷰] Observation of the X17 anomaly in the $^7$Li($p$,$e^+e^-$)$^8$Be direct proton-capture reaction

N. J. Sas, A. Krasznahorkay외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 16.

Nuclear physics research studies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 650 keV, 800 keV 및 1100 keV의 수소 빔 에너지에서 $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be 직접 수소 포획 반응에서 X17 비정상 현상의 관측을 보고하며, 질량이 $m_{\mathrm{X}}c^{2} = 16.95 \pm 0.10$ (통계) $\pm$ 0.21 (계측) MeV인 가상의 프로토파스성 벡터 보손의 존재를 확인한다. 이 비정상 현상은 140° 근처에서 $e^+e^-$ 각도 상관관계의 초과로 관측되며, 이는 이론적 예측인 장과 밀러의 예측과 펑 등이 제시한 프로토파스성 벡터 보손 모형에 부합하는 직접 E1 수소 포획을 통한 X17 입자의 생성을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전에 $^8$Be 핵 전이에서 관측된 X17 비정상 현상이 비공진 상태의 수소 빔 에너지에서 $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be의 직접 수소 포획 과정으로도 유지되는지 조사하는 것.
• 장과 밀러가 제시한 이론적 예측, 즉 X17 생성이 17.6 MeV 공진 상태 이상에서 직접 E1 포획 전이에 의해 지배된다는 것을 검증하는 것.
• M1 및 E1 내부 쌍 생성 과정의 배경 기여를 재평가하여 이전 및 현재 데이터 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• 여러 빔 에너지에서 X17 입자의 질량과 분해비율이 일관되게 유지되는지 확인하여 경량의 프로토파스성 벡터 보손으로서의 존재를 지지하는 것.

제안 방법

• 441 keV(공진 상태), 650 keV, 800 keV 및 1100 keV 에너지의 수소 빔을 사용하여 $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be 반응을 수행하였다.
• 표적 안정성 향상과 동일한 표적으로 공진 및 비공진 측정이 가능하도록, 알루미늄 배경에 증착된 두꺼운 LiF 및 Li$_2$O 표적(300 $\mu$g/cm$^2$)을 사용하였다.
• 스컬린레이터와 이중면 실리콘 스트립 검출기(DSSD)로 구성된 검출기 시스템을 활용하여 $e^+e^-$ 쌍의 에너지, 시간 및 각도 상관관계를 측정하였다.
• 에너지 합 스펙트럼과 $e^+e^-$ 쌍의 각도 상관관계를 분석하였으며, 합 에너지가 17.6 MeV 전이 에너지와 일치하도록 신호 사건을 선별하였다.
• 검출기 반응, 수용율 및 M1 및 E1 내부 쌍 생성 과정의 배경 기여를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하였다.
• 이전 데이터를 업데이트된 배경 모델을 사용하여 재분석하여, 빔 에너지 간 비정상 현상의 가시성 괴리 문제를 해결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공진 상태에서 $^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be의 직접 수소 포획 과정에서 X17 비정상 현상이 관측되는가?
• RQ2 관측된 각도 상관관계 초과는 장과 밀러의 이론적 예측, 즉 X17이 주로 E1 직접 포획을 통해 생성된다는 것을 지지하는가?
• RQ3 왜 이전 측정에서 800 keV에서 비정상 현상이 명확하지 않았는가, 비록 후속 데이터에서는 존재했음에도 불구하고?
• RQ4 측정된 X17 입자의 질량과 분해비율이 여러 빔 에너지에서 일관되게 유지되는가? 이는 보편적인 생성 메커니즘을 지지하는가?

주요 결과

• 모든 비공진 상태 빔 에너지(650 keV, 800 keV, 1100 keV)에서 140° 근처에서 $e^+e^-$ 각도 상관관계의 초과가 관측되어 X17 입자의 생성과 일치한다.
• 유도된 X17 입자의 질량은 $m_{\mathrm{X}}c^{2} = 16.95 \pm 0.10$ (통계) $\pm$ 0.21 (계측) MeV이며, 이전에 보고된 X17 질량 16.70 MeV와 뛰어난 일치를 보인다.
• 450 keV에서의 비정상 현상은 높은 에너지에서보다 현저히 작았으며, 이는 비균일한 에너지 의존성을 시사하지만 여전히 X17 생성과 일치한다.
• 비정상 현상은 M1 상태의 17.6 MeV $^8$Be에서의 붕괴가 아니라 직접 E1 수소 포획에 의해 가장 잘 설명되며, 배경 모델링 결과 공진 상태 이외에는 M1 기여가 미미함을 보여준다.
• 업데이트된 배경 모델을 사용하여 800 keV에서의 이전 데이터를 재분석한 결과, 비정상 현상은 존재했지만 잘못된 배경 가정으로 인해 가려져 있었음을 밝혀내어 이전의 괴리 문제를 해결하였다.
• 결과는 펑 등의 프로토파스성 벡터 보손 모형과 장과 밀러의 이론적 예측과 일치하며, 경량 핵에서 X17 생성의 보편적 결합 메커니즘을 지지한다.