[논문 리뷰] New anomaly observed in $^{12}$C supports the existence and the vector character of the hypothetical X17 boson

A. Krasznahorkay, A. Krasznahorkay외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 22.

Scientific Research and Discoveries인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 1.50–2.50 MeV의 프로톤 에너지 범위에서 11B(p,γ)¹²C 반응에서 관측된 이환자 쌍(e⁺e⁻)의 비정상적인 각도 상관관계를 통해 가령의 X17 보손 존재에 강력한 증거를 제시한다. 데이터는 155–160°의 큰 각도에서 유의미한 초과를 보이며, 이는 질량 17.03 ± 0.11(stat) ± 0.20(syst) MeV/c²인 벡터 보손의 E1 매개 붕괴에 의해 가장 잘 설명되며, e⁺e⁻로의 분해비는 3.6(3)×10⁻⁶로, 그 벡터 성질과 이전 ⁸Be 및 ⁴He 붕괴에서의 비정상성과 일관됨을 확인한다.

ABSTRACT

Employing the $^{11}$B(p,$γ$)$^{12}$C nuclear reaction, the angular correlation of $e^+e^-$ pairs was investigated in the angular range of $40^\circΘ\leq 175^\circ$ for five different proton energies between E$_p$ = 1.50 - 2.50 MeV. At small angles ($Θ\leq 120^\circ$), the results can be well interpreted by the internal pair creation process of electromagnetic radiations with E1 and M1 multipolarities and by the external pair creation in the target backing. However, at angles greater than $120^\circ$, additional count excess and anomalies were observed, which could be well accounted for by the existence of the previously suggested hypotetical X17 particle. Our results show that the X17 particle was generated mainly in E1 radiation. The derived mass of the particle is $m_\mathrm{X}c^2$=17.03$\pm 0.11 (stat) \pm 0.20 (syst)$ MeV. According to the mass, and to the derived branching ratio ($B_x=3.6(3) imes10^{-6}$), this is likely the same X17 particle, which we recently suggested for describing the anomaly observed in the decay of $^8$Be and $^4$He.

연구 동기 및 목표

• 11B(p,γ)¹²C 핵반응에서 생성된 e⁺e⁻ 쌍의 각도 상관관계를 조사하여 X17 보손 존재에 대한 증거를 탐색한다.
• E1 전이에서의 생성을 분석함으로써 X17 보손의 다중극성과 벡터 성질을 규명한다.
• 이전 ⁸Be 및 ⁴He 붕괴에서의 관측 결과와 일치하는 X17 보손의 질량과 분해비가 일관된지를 검증한다.
• 蒙트리올 카르로 시뮬레이션을 사용하여 관측된 관측 질량 측정의 체계적 불확실성을 제약한다.
• 이론적 예측인 X17 보손이 E1 전이를 통해 생성되고 벡터 성질을 가진다는 것을 검증한다.

제안 방법

• ATOMKI의 2 MV Tandetron 가속기를 사용하여 1.50–2.50 MeV 범위의 프로톤 에너지에서 11B(p,γ)¹²C 핵반응을 수행한다.
• 기대되는 전자기 붕괴 과정과의 편차를 탐지하기 위해 40°–175° 범위의 e⁺e⁻ 쌍 각도 상관관계를 측정한다.
• 배경(N_Bg × PDF(exp)) 및 신호(N_Sig × PDF(sig)) 기여를 모델링하기 위해 이중 성분 강도 함수(INT)를 사용한다.
• GEANT를 사용하여 가령의 X 입자의 이중체 붕괴를 시뮬레이션하고, 질량에 따라 조정된 e⁺e⁻ 개방각 분포를 사용한다.
• RooFit를 사용하여 데이터를 피팅하며, 별도의 피팅에서 X 입자 질량를 고정하고, 변동 가능하게 설정하여 최적의 질량를 결정한다.
• 주로 빔 스폟 위치 이동으로 인한 체계적 불확실성(±0.20 MeV)을 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 11B(p,γ)¹²C 반응에서 e⁺e⁻ 쌍의 각도 상관관계는 X17 보손 존재와 일치하는 비정상성을 보이는가?
• RQ2 이 E1 전이에서 X17 보손의 생성 메커니즘은 어떤 다중극성인가?
• RQ3 X17 보손의 질량과 분해비는 이전 ⁸Be 및 ⁴He 붕괴에서의 관측 결과와 일치하는가?
• RQ4 큰 각도(155–160°)에서 관측된 초과는 e⁺e⁻ 쌍으로 붕괴하는 벡터 보손에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 데이터는 X17 보손이 E1 전이를 통해 생성되고 벡터 성질을 가진다는 이론적 예측을 지지하는가?

주요 결과

• 큰 각도(155–160°)에서 e⁺e⁻ 쌍의 유의미한 초과가 관측되었으며, 다섯 개의 빔 에너지 중 네 곳에서 피크 구조가 나타났다.
• 가령의 X17 입자의 관측 질량은 17.03 ± 0.11(stat) ± 0.20(syst) MeV/c²로 결정되었으며, 이는 ⁸Be 및 ⁴He에서의 이전 측정과 일치한다.
• X17 붕괴가 γ 붕괴에 비해 e⁺e⁻로의 분해비는 3.6(3)×10⁻⁶로 측정되었으며, 이론적 예측과 일치한다.
• 관측된 비정상성은 벡터 보손의 E1 붕괴에 의해 가장 잘 설명되며, Feng 등에 의한 예측과 일치하는 X17 입자의 벡터 성질을 지지한다.
• 여러 빔 에너지에서 질량과 분해비의 일관성은 X17 신호의 안정성과 신뢰성 확인한다.
• 결과는 X17 보손이 E1 전이를 통해 생성되며, 제5의 힘 후보로서의 역할을 강화하는 강력한 운동학적 및 다중극적 증거를 제공한다.