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

A. Krasznahorkay, A. Krasznahorkay+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

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一句话总结

本研究通过在质子能量为1.50–2.50 MeV的¹¹B(p,γ)¹²C反应中观测到e⁺e⁻对的异常角相关性，为假设的X17规范 boson的存在提供了有力证据。数据在大角度范围（155–160°）显示出显著过量，最合理的解释是自旋为1的矢量 boson 通过E1衰变，其质量为17.03 ± 0.11（统计）± 0.20（系统）MeV/c²，且其衰变为e⁺e⁻的分支比为3.6(3)×10⁻⁶，证实了其矢量特性，并与此前在⁸Be和⁴He衰变中观测到的异常现象一致。

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.

研究动机与目标

• 研究¹¹B(p,γ)¹²C核反应中产生的e⁺e⁻对的角相关性，以寻找X17 boson存在的证据。
• 通过分析其在E1跃迁中的产生，确定X17 boson的多重极性及其矢量特性。
• 验证X17 boson的质量与分支比是否与此前在⁸Be和⁴He衰变中观测到的结果一致。
• 利用蒙特卡洛模拟约束不变质量测量中的系统误差。
• 检验理论预测：X17 boson通过E1跃迁产生且具有矢量特性。

提出的方法

• 在ATOMIC-Ki的2 MV Tandetron加速器上，以1.50至2.50 MeV的质子能量执行¹¹B(p,γ)¹²C核反应。
• 测量40°–175°范围内的e⁺e⁻对角相关性，以检测与预期电磁衰变过程的偏离。
• 使用双组分强度函数（INT）对背景（N_Bg × PDF(exp)）和信号（N_Sig × PDF(sig)）贡献进行建模。
• 利用GEANT模拟信号PDF，假设一个假设的X粒子发生两体衰变，通过质量相关插值方法获取e⁺e⁻出射角分布。
• 使用RooFit对数据进行拟合，分别在固定X粒子质量下进行拟合，并允许质量参数自由变化以确定最佳拟合质量。
• 通过蒙特卡洛模拟估算系统误差（±0.20 MeV），主要源于束斑位置的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 ¹¹B(p,γ)¹²C反应中e⁺e⁻对的角相关性是否表现出与X17 boson存在一致的异常？
• RQ2 在该E1跃迁中，X17 boson的产生机制的多重极性为何？
• RQ3 X17 boson的质量与分支比是否与此前在⁸Be和⁴He衰变中的观测结果一致？
• RQ4 在大角度范围（155–160°）观测到的过量是否可由一个矢量 boson 衰变为e⁺e⁻对来解释？
• RQ5 数据是否支持理论预测：X17 boson通过E1跃迁产生且具有矢量特性？

主要发现

• 在大角度范围（155–160°）观测到e⁺e⁻对的显著过量，且在五个束流能量中的四个能量下均出现类似峰状结构。
• 假设的X17粒子的不变质量被确定为17.03 ± 0.11（统计）± 0.20（系统）MeV/c²，与此前在⁸Be和⁴He中的测量结果一致。
• X17衰变为e⁺e⁻相对于γ衰变的分支比测量值为3.6(3)×10⁻⁶，与理论预测相符。
• 观测到的异常最合理地由矢量 boson 的E1衰变解释，支持Feng等人（fe20）理论预测的X17粒子的矢量特性。
• 多个束流能量下质量与分支比的一致性，证实了X17信号的稳定性和可靠性。
• 结果提供了强有力的运动学与多重极性证据，表明X17 boson通过E1跃迁产生，进一步支持其作为第五种力候选者的角色。