[论文解读] New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle

A. Krasznahorkay, M. Csatlós+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 47

一句话总结

作者报道在4He的21.01 MeV 0−→0+跃迁中观察到一个 e+e− 峰，达到 7.2σ，其解释为质量约为 16.8–17.0 MeV 的 X17，具有非常窄的宽度，支持 Be-8 的 X17 异常。

ABSTRACT

We observed electron-positron pairs from the electro-magnetically forbidden M0 transition depopulating the 21.01 MeV 0$^-$ state in $^4$He. A peak was observed in their $e^+e^-$ angular correlations at 115$^\circ$ with 7.2$σ$ significance, and could be described by assuming the creation and subsequent decay of a light particle with mass of $m_\mathrm{X}c^2$=16.84$\pm0.16 (stat) \pm 0.20 (syst)$ MeV and $Γ_\mathrm{X}$= $3.9 imes 10^{-5}$ eV. According to the mass, it is likely the same X17 particle, which we recently suggested [Phys. Rev. Lett. 116, 052501 (2016)] for describing the anomaly observed in $^8$Be.

研究动机与目标

• 激励并检验 Be-8 异常所提出的 X17 粒子的存在。
• 将搜索扩展到另一种核（4He）及其跃迁（21.01 MeV, 0−→0+ M0）以证实 X17 假设。
• 通过角相关性和不变量质量分布量化 X17 信号，并与已知的 E0 转换进行比较。
• 估计 X17 衰变宽度和质量，并评估与先前 X17 测量的一致性。
• 讨论对超越标准模型情景的影响，并概述相关的实验工作。

提出的方法

• 在 Ep = 900 keV 下，使用 3H(p,γ)4He 使 4He 的 21.01 MeV 0− 态被填充。
• 用六个望远探测器和以多角度方位布置的 DSSD 阵检测 e+e− 对。
• 利用来自 60° 相对角度对的角相关性来减去背景，以分离 X17 信号。
• 用 X17 的两体衰变建模信号，并在 RooFit 框架中插值质量。
• 用非相关对的效率标定以及 GEANT4/GEANT3 模拟；从拟合中提取 mX 和 ΓX。
• 通过截面比来计算 ΓX：ΓX/ΓE0 = (σ(X17)/σ(E0)) × (Γtot(0+)/Γtot(0−))，并使用已知的 ΓE0 与共振比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 4He 的 21.01 MeV 跃迁是否表现出与 X17 衰变一致的异常 e+e− 角相关性？
• RQ2 从 4He 数据推断的假设 X17 粒子质量 mX 是多少，它是否与 Be-8 的 X17 结果相符？
• RQ3 在该跃迁中 X17 的部分衰变宽度 ΓX 是多少，与 Be-8 分析的期望相比如何？
• RQ4 观察到的信号是否对背景与系统性不确定性（包括靶位置和束流位置）具有鲁棒性？
• RQ5 这些结果是否加强了在不同核跃迁中存在单一 X17 粒子的证据？

主要发现

• 在接近 115° 的 e+e− 角相关性中出现峰值，显著性为 7.2σ。
• 拟合的 X17 质量 mXc2 = 16.84 ± 0.16 (stat) ± 0.20 (syst) MeV。
• 估计 X17 衰变宽度 ΓX = 3.9×10^(−5) eV。
• 不变量质量分析得到 mXc2 = 17.00 ± 0.13 MeV（总系统误差 ±0.20 MeV）。
• 质量值在不确定性范围内与 Be-8 X17 测量一致，支持一个共同的 X17 粒子。
• 分析在角相关性和不变量质量分布方面呈现一致的图景。