[논문 리뷰] A new anomaly observed in $^4$He supports the existence of the hypothetical X17 particle

A. Krasznahorkay, M. Csatlós외 8명|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|2021. 04. 20.

Nuclear physics research studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 510–900 keV의 프로톤 에너지에서 $^3$He(p,γ)$^4$He 반응에서 새로운 비정상 현상을 보고하며, 약 115°에서 $e^+e^-$ 각도 상관관계에 설명되지 않는 피크를 관측한다. 이는 질량이 $m_{\mathrm{X}}c^2 = 16.94 \pm 0.12\,\text{(stat)} \pm 0.21\,\text{(syst)}$ MeV인 가령의 경량 보손의 생성과 붕괴에 의해 가장 잘 설명되며, 이 질량은 이전에 제안된 X17 입자와 일치한다. 이는 다른 핵계에서 표준모형을 초월하는 경량 보손 존재에 대한 독립적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Energy-sum and angular correlation spectra of $e^+e^-$ pairs produced in the $^{3}$H(p,$γ$)$^{4}$He nuclear reaction have been studied at $E_p$=510, 610 and 900 keV proton energies. The main features of the spectra can be understood by taking into account the internal and external pair creations following the direct proton radiative capture by $^{3}$H. However, these processes cannot account for the observed peak around 115$^\circ$ in the angular correlation spectra. This anomalous excess of $e^+e^-$ pairs can be described by the creation and subsequent decay of a light particle during the direct capture process. The derived mass of the particle is $m_\mathrm{X}c^2$=16.94$\pm0.12 (stat) \pm 0.21 (syst)$~MeV. According to the mass and branching ratio ($B_x=5.1(13) imes10^{-6}$), this is likely the same X17 particle, which we recently suggested [Phys. Rev. Lett. 116, 052501 (2016)] for describing the anomaly observed in the decay of $^8$Be.

연구 동기 및 목표

• 낮은 프로톤 에너지에서 $^3$He(p,γ)$^4$He 핵반응의 $e^+e^-$ 쌍 생성을 조사하여 표준 전자기 과정으로 설명되지 않는 비정상 현상을 탐색한다.
• 관측된 ~115°에서의 $e^+e^-$ 각도 상관관계 과잉 현상이 새로운 경량 입자(예: 가령의 X17 보손) 존재에 기인한 것인지 여부를 규명한다.
• 원래의 $^8$Be 관측과 다른 핵계인 $^4$He에서의 질량과 분해비율 측정을 통해 X17 입자 가설의 일관성을 시험한다.
• 이중면 실리콘 스트립 검출기(DSSD)로 스트립 검출기와 광도체를 교체하고 탐지기 어셈블리 구성 강화를 통해 실험 정밀도를 향상시키고 체계적 오차를 감소시킨다.

제안 방법

• 실험은 ATOMKI의 2 MV Tandetron 가속기를 사용하여 510, 610, 900 keV 에너지의 프로톤을 삼중수소 타겟에 조사하여 $^4$He의 옹진 상태를 유도한다.
• 4.2 mg/cm² 두께의 Ti로 둘러싸인 삼중수소 타겟을 액체 질소 온도로 냉각하여 삼중수소 손실을 방지하고, 비틀림 효과를 최소화하기 위해 축외에 위치시켰다.
• 6개의 탐지기 텔레스코프를 사용하여 $e^+e^-$ 쌍의 에너지 합과 각도 상관관계를 측정하였으며, DSSD 검출기(50×50 mm², 3 mm 스트립 폭, 500 μm 두께)와 광도체(82×86×80 mm³)를 조합하였다.
• 각도 상관관계 스펙트럼은 내부 및 외부 쌍 생성(IPC) 기여와 새로운 입자 붕괴 기여를 포함하여 피팅하였으며, 후자는 경량 보손의 상대론적 이체 붕괴로 모델링하였다.
• 피팅은 40–70° 각도 범위에서 수행되었으며, 체계적 오차는 빔 위치 및 타겟 정렬 오차의 시뮬레이션을 통해 추정되었다.
• 관측된 $e^+e^-$ 쌍의 불변 질량을 재구성하였고, 각도 상관관계 스펙트럼에서 ~115° 부근의 과잉 피크에 대해 X17 보손 질량과 분해비율을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ~115°에서의 $e^+e^-$ 각도 상관관계 과잉 현상은 내부 및 외부 쌍 생성과 같은 알려진 전자기 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 다른 프로톤 빔 에너지에서 관측된 $^4$He 생성의 비정상 현상은 약 17 MeV의 질량을 가진 새로운 경량 보손 존재를 지지하는가?
• RQ3 가령의 X17 입자의 질량과 분해비율은 $^8$Be와 $^4$He와 같은 다른 핵계에서 일관된가?
• RQ4 빔 위치 및 타겟 정렬 오차로 인한 체계적 오차는 X17 입자의 질량 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 세 가지 프로톤 빔 에너지(510, 610, 900 keV)에서 ~115°에서 $e^+e^-$ 쌍의 유의미한 과잉이 관측되었으며, 900 keV 실험에서 국소적 유의수준이 최대 8.9σ에 이르렀다.
• 각도 상관관계 스펙트럼에서 관측된 비정상 피크는 내부 및 외부 쌍 생성 과정만으로는 설명될 수 없으며, 이는 잘 이해된 주요 스펙트럼 특징을 설명하는 데에만 기여한다.
• 과잉은 질량이 $m_{\mathrm{X}}c^2 = 16.94 \pm 0.12\,\text{(stat)} \pm 0.21\,\text{(syst)}$ MeV인 새로운 경량 입자의 생성과 붕괴에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 $^8$Be 붕괴에서 관측된 X17 입자와 일치한다.
• X17 보손이 $e^+e^-$ 쌍으로 붕괴하는 분해비율은 $B_x = 5.1(13) \times 10^{-6}$로 측정되었으며, $^8$Be 시스템에서 관측된 값과 일치한다.
• 유도된 X17 질량은 이전에 보고된 $^8$Be 실험의 값인 $16.70 \pm 0.35$ (stat) $\pm 0.5$ (syst) MeV와 뛰어난 일치를 보이며, 단일 신입 입자의 존재 가설을 지지한다.
• 다른 빔 에너지에서 비정상 현상의 에너지 의존성은 E1 전이를 통한 직접 포획에 대한 이론 예측과 일치하며, 중간 공명 상태 없이 X17 생성 메커니즘을 지지한다.