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

N. J. Sas, A. Krasznahorkay+9 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Nuclear physics research studies被引用 6

一句话总结

本研究在质子束能量为650 keV、800 keV和1100 keV的$^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be直接质子捕获反应中观测到X17异常，证实了一种假设的轴向轻子禁闭矢量玻色子的存在，其质量为$m_{\mathrm{X}}c^{2} = 16.95 \pm 0.10$（统计）$\pm$ 0.21（系统）MeV。该异常表现为在约140°附近的$e^+e^-$角相关性中出现过量，支持X17粒子通过直接E1质子捕获产生，与张和米勒的理论预测以及冯等人提出的轴向轻子禁闭矢量玻色子模型一致。

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.

研究动机与目标

• 研究先前在$^8$Be核跃迁中观测到的X17异常是否在$^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be的非共振质子束能量下的直接质子捕获过程中依然存在。
• 检验张和米勒的理论预测，即X17的产生在17.6 MeV共振以上主要由直接E1捕获跃迁主导。
• 通过重新评估M1和E1内部对产生过程的本底贡献，解决早期与当前数据之间的差异。
• 确认X17粒子的质量和分支比在多个束能量下保持一致，支持其作为轻量轴向轻子禁闭矢量玻色子的存在。

提出的方法

• 在441 keV（共振）、650 keV、800 keV和1100 keV能量下，对$^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be反应进行实验。
• 使用厚度为300 $\mu$g/cm$^2$的LiF和Li$_2$O靶（蒸发在铝背板上），以提高靶稳定性，并实现同一靶在共振与非共振条件下的测量。
• 采用闪烁体与双面硅 Strip 侦测器（DSSDs）组成的探测系统，测量$e^+e^-$对的能量、时间及角相关性。
• 分析$e^+e^-$对的能量和谱与角相关性，要求其能量和匹配17.6 MeV跃迁能量，以分离信号事例。
• 进行蒙特卡罗模拟，以建模探测器响应、接受度以及来自M1和E1内部对产生过程的本底贡献。
• 使用更新的本底模型重新评估先前数据，以解决不同束能量下异常可见性差异的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非共振能量下，X17异常是否在$^7$Li($p$, $e^+e^-$)$^8$Be的直接质子捕获过程中被观测到？
• RQ2 所观测到的角相关性过量是否支持张和米勒的理论预测，即X17主要通过E1直接捕获产生？
• RQ3 为何在早期800 keV测量中异常未被清晰观测到，尽管后期数据中已显现？
• RQ4 测量得到的X17粒子质量与分支比在多个束能量下是否保持一致，支持其存在一种普遍的产生机制？

主要发现

• 在所有非共振束能量（650 keV、800 keV、1100 keV）下，均在约140°附近观测到$e^+e^-$角相关性的过量，与X17粒子产生一致。
• 推导出的X17粒子质量为$m_{\mathrm{X}}c^{2} = 16.95 \pm 0.10$（统计）$\pm$ 0.21（系统）MeV，与先前报告的X17质量16.70 MeV高度一致。
• 在450 keV时的异常显著小于更高能量下的异常，表明其能量依赖性非均匀，但仍与X17产生一致。
• 该异常最合理的解释是直接E1质子捕获，而非17.6 MeV $^8$Be态的M1衰变，因为本底建模显示M1贡献仅在共振时显著。
• 使用更新的本底模型重新分析800 keV的先前数据表明，异常实际存在，但被错误的本底假设所掩盖，从而解决了先前的矛盾。
• 结果与冯等人提出的轴向轻子禁闭矢量玻色子模型以及张和米勒的理论预测一致，支持X17在轻核中普遍耦合机制的存在。