[论文解读] Anomalous Internal Pair Creation

Peter G. Kalman, Tamás Keszthelyi|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Nuclear physics research studies参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文提出，此前归因于假设的X17玻色子的核衰变中观测到的异常电子-正电子对产生事件，可由高阶电磁和强相互作用过程解释。通过分析包含耦合核跃迁的三阶微扰理论，作者表明，具有微小能差的共振中间态可产生大角度处的峰状角相关性（例如~115°–139°），其结果与实验数据一致，而无需引入超出标准核理论的新物理。

ABSTRACT

In recent electron-positron angular correlation measurements the observed significant enhancements relative to the internal pair creation at large angles was interpreted as indication of the creation of $J^{\pi }=1^{+}$ boson called X17 particle. In this paper it is brought up that such enhancements can be generated by higher order processes. It is found that nuclear transitions, the transition energy of which is significantly lower than the whole transition energy, can cause peaked angle dependence in electron-positron angular correlation.

研究动机与目标

• 挑战将异常e⁻e⁺角相关性解释为新X17玻色子存在的证据。
• 研究核跃迁中的高阶电磁和强相互作用过程是否能重现观测到的峰状角分布。
• 在不引入新粒子的前提下，为8Be和4He衰变中观测到的异常现象提供核物理解释。
• 证明由于小跃迁能量导致矩阵元中的奇点可使大角度处的产额增强。
• 将8Be和4He衰变的实验数据与标准量子电动力学和核理论相协调。

提出的方法

• 基于三阶及以上微扰理论的公式体系，使用T矩阵元描述耦合的电磁和强相互作用过程。
• 引入核跃迁宽度（Γ）以建模共振展宽，将奇点替换为可观测的峰。
• 使用矩阵元 T(3,rl)fi ≈ U(2)EM,frl Vst,rli (Γrl − i dl) / (dl² + Γ²rl) 描述8Be和4He中共振中间态。
• 通过条件 K²αβ − q² = 0 计算角依赖性，导出 Θ = arccos[(K²αβ − (k²⁻ + k²⁺))/(2k⁻k⁺)]，该式确定峰角位置。
• 应用能量不确定度（Eun）以包含贡献于观测角分布的软光子发射过程。
• 比较不同中间态（如8Be中的l=1和l=2；4He中的E1和M1耦合）的贡献，以评估峰强的相对大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 核衰变中e⁻e⁺角相关性的大角度增强是否可在不引入新X17玻色子的前提下得到解释？
• RQ2 核跃迁中的高阶电磁和强相互作用过程是否会产生在大角度（如115°–139°）处出现峰的角分布？
• RQ3 中间核态之间微小能差（|∆Eαβ| → 0）在大角度处增强对产生中的作用是什么？
• RQ4 核宽度（Γ）和失谐量（dl）如何影响观测到的角峰形状与强度？
• RQ5 8Be中r2项（l=2）相对于4He中r1项（l=1）的峰强抑制能否通过T矩阵形式体系进行定量解释？

主要发现

• 在3H(p, e⁻e⁺)4He反应中观测到的e⁻e⁺角相关性在~115°处的峰，可通过涉及激发态4He（能量27.42–29.89 MeV）的软E2光子发射的高阶过程重现。
• 对于4He中21.01 MeV的0⁻ → 0⁺跃迁，预测的峰角为Θ₂,m = 138.7° ± 26°，Θ₃,m = 131.2° ± 12°，Θ₄,m = 123.5° ± 32°，与实验观测一致。
• 在8Be中，~110°–115°处的峰由l=1共振（E=17.64 MeV）主导，其|T(3,r1)fi| ≫ |T(3,r2)fi|，归因于更小的宽度和失谐量。
• 8Be中r2项（l=2）相对于r1项（l=1）的抑制解释了观测到的角分布形状，包括110°以上的轻微偏离。
• 能量不确定度（Eun）使软光子过程得以纳入，从而即使终态未直接共振，也能解释异常现象。
• 该模型在标准量子电动力学和核理论框架内解释了8Be和4He的异常现象，使X17玻色子假说变得不再必要。