[论文解读] A new anomaly observed in $^4$He supports the existence of the hypothetical X17 particle

A. Krasznahorkay, M. Csatlós+8 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Apr 20, 2021

Nuclear physics research studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究在质子能量为510–900 keV的$^3$He(p,γ)$^4$He反应中发现了一项新异常，观测到$e^+e^-$角相关性在约115°处存在一个无法解释的峰，该现象最合理的解释是产生并衰变了一个假想的轻玻色子，其质量为$m_{\mathrm{X}}c^2 = 16.94 \pm 0.12\,\text{(stat)} \pm 0.21\,\text{(syst)}$ MeV。该质量与此前提出的X17粒子一致，为该粒子的存在提供了来自不同核体系的独立证据。

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.

研究动机与目标

• 研究在低质子能量下$^3$He(p,γ)$^4$He核反应中的$e^+e^-$对产生，以寻找标准电磁过程无法解释的异常现象。
• 确定在约115°处观测到的$e^+e^-$角相关性过剩是否可归因于新轻粒子（如假想的X17玻色子）的存在。
• 通过在原始$^8$Be观测之外的另一核体系（$^4$He）中测量其质量和分支比，检验X17粒子假说的一致性。
• 通过升级探测器（包括用双面硅条探测器（DSSD）替换闪烁体和光电倍增管，并优化望远镜配置），提高实验精度并减小系统不确定性。

提出的方法

• 实验在ATOMKI的2 MV Tandetron加速器上进行，利用510、610和900 keV能量的质子束轰击三氢（tritium）靶，诱导辐射俘获反应，从而激发$^4$He中的高能态。
• 采用厚度为4.2 mg/cm²的钛包覆三氢靶，冷却至液氮温度以防止三氢损失，并置于偏离主束流的位置，以最小化束流屏蔽效应。
• 探测系统由六个望远镜组成，每个望远镜配备DSSD探测器（50×50 mm²，3 mm条纹宽度，500 μm厚度）和闪烁体（82×86×80 mm³），用于测量$e^+e^-$对的能量和角相关性。
• 通过拟合内、外对产生（IPC）过程与新粒子衰变的贡献，分析角相关谱，后者被建模为轻玻色子的相对论性两体衰变。
• 拟合在40–70°角区间内进行，系统不确定性通过模拟束流位置和靶对准误差估算。
• 重建$e^+e^-$对的不变质量，并通过拟合角相关谱中约115°处的过剩峰，提取X17玻色子的质量和分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$^3$He(p,γ)$^4$He反应中观测到的约115°处$e^+e^-$角相关性过剩，是否可由已知的电磁过程（如内、外对产生）解释？
• RQ2 在不同质子束能量下$^4$He生成中观测到的异常，是否支持存在质量接近17 MeV的新轻玻色子？
• RQ3 假想的X17粒子的质量与分支比在不同核体系（如$^8$Be和$^4$He）中是否一致？
• RQ4 束流位置与靶对准带来的系统不确定性在多大程度上影响X17粒子质量的测量？

主要发现

• 在所有三种质子束能量（510、610和900 keV）下，角相关谱中约115°处均观测到显著的$e^+e^-$对过剩，其中900 keV实验的局部显著性高达8.9σ。
• 角相关谱中的异常峰无法仅由内对产生或外对产生过程解释，这些过程已被充分理解，且能准确描述主要谱线特征。
• 该过剩最合理地由一个质量为$m_{\mathrm{X}}c^2 = 16.94 \pm 0.12\,\text{(stat)} \pm 0.21\,\text{(syst)}$ MeV的新轻粒子的产生与衰变所描述，该质量与$^8$Be衰变中观测到的X17粒子一致。
• X17衰变为$e^+e^-$对的分支比测量值为$B_x = 5.1(13) \times 10^{-6}$，与$^8$Be体系中观测到的数值一致。
• 所推导出的X17质量与先前$^8$Be实验报告的$16.70 \pm 0.35$ (stat) $\pm 0.5$ (syst) MeV值高度一致，支持存在单一新粒子的假说。
• 该异常在不同束能下的能量依赖性与E1跃迁直接俘获的理论预测一致，支持X17的产生机制不涉及中间共振态。