[논문 리뷰] Observation of the X17 anomaly in the decay of the Giant Dipole Resonance of $^8$Be

A. Krasznahorkay, A. Krasznahorkay외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 12.

Nuclear physics research studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 4.0 MeV의 프로톤 에너지에서 $^7$Li($p$, $\gamma$) $^8$Be 반응을 통해 $^8$Be의 거대 dipole 공진형(GDR) 붕괴에서 X17 입자의 첫 번째 관측을 보고한다. $e^{+}e^{-}$ 쌍의 각도 상관관계 측정을 통해, 약 120°와 140° 이상에서 이상한 초과가 관측되었으며, 이는 이론적으로 존재하는 16.95 ± 0.48 MeV/c²의 입자 생성 및 붕괴에 의해 잘 설명된다. 이는 이전에 $^8$Be와 $^4$He 전이에서 관측된 X17 보손과 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 거대 dipole 공진형(GDR)의 붕괴에서 X17 입자의 존재를 조사하기 위해.
• 이전에 $^8$Be와 $^4$He 전이에서 관측된 X17 이면이, $J^\pi = 1^-$인 더 넓은 공진형인 E1-붕괴에서 나타나는지 테스트하기 위해.
• 이 새로운 붕괴 채널에서 X17 입자의 진동 질량을 결정하고 이전 측정치와의 일치성을 평가하기 위해.
• 다른 핵 전이에서의 붕괴를 관측함으로써 X17 입자의 스핀/치수 할당을 평가하기 위해.

제안 방법

• 4.0 MeV의 프로톤 에너지에서 $^7$Li($p$, $\gamma$) $^8$Be 반응을 수행하여 $^8$Be의 GDR를 자극함.
• 110°에 위치한 두 개의 입자 탐지기 트로이를 사용하여 $e^{+}e^{-}$ 쌍의 각도 상관관계를 측정하는 단순화된 분광계를 사용함.
• LaBr3 탐지기를 사용하여 GDR 전이가 기저 상태 및 첫 번째 옹진 상태($2_1^+$)로 붕괴되는 것을 확인하기 위해 $\gamma$-선 스펙트럼을 측정함.
• RooFit를 사용하여 내부 쌍 생성( IPC ) 및 X17 붕괴에서 기인하는 신호 기여를 조합한 $e^{+}e^{-}$ 각도 상관관계 데이터를 피팅함.
• E1 및 M1 전이( IPC )와 X17 붕괴가 기저 상태 및 $2_1^+$ 상태로 이루어질 경우의 확률 밀도 함수(PDF)를 X17 질량(10–18 MeV/c²)의 함수로 시뮬레이션함.
• 배경(E1, M1) 및 신호(X17) 기여를 포함하는 피팅 함수(INT)를 적용하였으며, 신호 강도 및 X17 질량을 자유 매개변수로 사용하였고, 두 붕괴 채널에서 X17 질량은 동일하게 고정함.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GDR의 E1 붕괴에서 X17 이면이, $\Gamma = 5.3$ MeV인 넓은 공진형에서 나타나는가?
• RQ2 약 120° 및 140° 이상에서 관측된 $e^{+}e^{-}$ 각도 상관관계 초과는 단일 가상 X17 입자의 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ3 GDR 붕괴에서 X17 입자의 진동 질량은 이전에 $^8$Be 및 $^4$He 전이에서 측정된 값과 일치하는가?
• RQ4 GDR 붕괴에서 X17 생성의 기저 상태 대비 $2_1^+$ 상태로의 상대 분포 비율은 얼마인가?
• RQ5 다른 핵 전이에서의 관측 결과는 X17 입자가 벡터 또는 축성자 성질을 가진다는 것을 지지하는가?

주요 결과

• 약 120° 및 140° 이상에서 $e^{+}e^{-}$ 각도 상관관계에 이상한 초과가 관측되어 새로운 입자의 존재를 시사함.
• 내부 쌍 생성( IPC ) 및 가상 X17 입자의 붕괴 기여를 포함한 피팅으로 데이터가 잘 설명됨.
• X17 입자의 진동 질량은 $m_Xc^2 = 16.95 \pm 0.48$ MeV(통계적 불확실성)로 측정되었으며, 이전 결과와 일치함.
• X17 붕괴가 GDR 기저 상태와 $2_1^+$ 상태로 향하는 강도 비율은 $\alpha_{\text{ground}}/(1 - \alpha_{\text{ground}}) = 0.08 \pm 0.19$로 측정되었으며, $1\sigma$ 범위 내에서 $\gamma$-선 강도 비율 0.18 ± 0.02과 일치함.
• X17 신호를 포함한 피팅의 유의수준은 10$\sigma$를 초과하여 매우 높은 유의성의 관측임을 시사함.
• GDR의 E1-붕괴에서 X17의 관측 결과는 X17 입자가 벡터 또는 축성자 보손으로 해석될 수 있음을 지지하며, 붕괴 패tern이 이러한 상태의 기대와 부합함.

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.