[论文解读] Observation of the X17 anomaly in the decay of the Giant Dipole Resonance of $^8$Be

A. Krasznahorkay, A. Krasznahorkay+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2023

Nuclear physics research studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文报告了在 4.0 MeV 质子能量下，通过测量 $^7$Li($p$, $\gamma$) $^8$Be 反应中产生的 $e^{+}e^{-}$ 对的角相关性，首次观测到 $^8$Be 中的巨型电 dipole 共振态（GDR）衰变中存在 X17 粒子。数据在约 120° 和 >140° 处显示出异常的超额，这些超额可由一个假设的 16.95 ± 0.48 MeV/c² 粒子的产生与衰变良好描述，其结果与此前在 $^8$Be 和 $^4$He 跃迁中观测到的 X17 介子一致。

ABSTRACT

Angular correlation spectra of $e^+e^-$ pairs produced in the $^{7}$Li($p$,$γ$)$^{8}$Be nuclear reaction were studied at a proton beam energy of $E_p$~=~4.0~MeV, which corresponds to the excitation energy of the Giant Dipole Resonance (GDR) in $^8$Be. The spectra measured show a peak like anomaly at 120$^\circ$ and a broader anomaly also above 140$^\circ$. Both anomalies could consistently be described by assuming that the same hypothetical X17 particle was created both in the ground-state transition and in the transition going to the broad ($Γ$=1.5~MeV), first excited state in $^8$Be. The invariant mass of the particle, which was derived to be $m_Xc^2 = 16.95 \pm 0.48$(stat.)~MeV, agrees well with our previously published values.

研究动机与目标

• 研究巨型电 dipole 共振态（GDR）在 $^8$Be 中衰变时 X17 粒子的存在性。
• 检验此前在 $^8$Be 和 $^4$He 跃迁中观测到的 X17 异常是否也出现在 GDR 的 E1 衰变中，该共振态具有 $J^\pi = 1^-$。
• 确定此新衰变道中 X17 粒子的不变质量，并评估其与先前测量结果的一致性。
• 通过观察其在具有不同多极性和宽度特性的不同核跃迁中的衰变，评估 X17 粒子的自旋/宇称赋值。

提出的方法

• 在 4.0 MeV 质子能量下进行 $^7$Li($p$, $\gamma$) $^8$Be 反应，以激发 $^8$Be 中的 GDR。
• 使用简化谱仪，通过两个粒子望远镜在 110° 角度测量 $e^{+}e^{-}$ 对的角相关性。
• 使用 LaBr3 探测器测量 $\gamma$-射线能谱，以确认 GDR 衰变至基态和第一激发态（$2_1^+$）的跃迁。
• 利用 RooFit 对 $e^{+}e^{-}$ 角相关性数据进行拟合，结合内部对产生（IPC）和来自 X17 衰变的信号贡献。
• 对 E1 和 M1 跃迁（IPC）以及 X17 衰变至基态和 $2_1^+$ 态的概率密度函数（PDF）进行模拟，作为 X17 质量（10–18 MeV/c²）的函数。
• 应用包含背景（E1、M1）和信号（X17）贡献的拟合函数（INT），其中信号幅度和 X17 质量为自由参数，同时固定两个衰变道中的 X17 质量一致。

Figure 1: Tipical $\gamma$ -ray spectrum measured for the 7 Li( $p$ , $\gamma$ ) 8 Be nuclear reaction at $E_{p}$ = 4.0 MeV

实验结果

研究问题

• RQ1 X17 异常是否在 $^8$Be 的 GDR E1 衰变中显现，该共振态具有 $\Gamma = 5.3$ MeV 的较宽宽度？
• RQ2 在约 120° 和 >140° 处观测到的 $e^{+}e^{-}$ 角相关性超额是否可由单一假设 X17 粒子的衰变解释？
• RQ3 GDR 衰变中 X17 粒子的不变质量是否与此前在 $^8$Be 和 $^4$He 跃迁中的测量结果一致？
• RQ4 X17 在 GDR 衰变中向基态与 $2_1^+$ 激发态的分支比是多少？
• RQ5 在不同核跃迁中的观测是否支持 X17 粒子为矢量或轴矢量性质？

主要发现

• 在 $e^{+}e^{-}$ 角相关性中观测到约 120° 和 >140° 处的异常超额，表明存在一种新粒子。
• 数据可通过包含内部对产生（IPC）和来自假设 X17 粒子衰变的信号成分的拟合良好描述。
• X17 粒子的不变质量被测得为 $m_Xc^2 = 16.95 \pm 0.48$ MeV（统计不确定性），与先前结果一致。
• X17 衰变至 GDR 基态与 $2_1^+$ 态的强度比为 $\alpha_{\text{ground}}/(1 - \alpha_{\text{ground}}) = 0.08 \pm 0.19$，在 $1\sigma$ 范围内与 $\gamma$-射线强度比 0.18 ± 0.02 一致。
• 包含 X17 信号的拟合显著性超过 10$\sigma$，表明该观测具有极高的显著性。
• 在 GDR 的 E1 衰变中观测到 X17 支持其被解释为矢量或轴矢量玻色子，因其衰变模式与这类态的预期相符。

Figure 2: Experimental acceptance of the spectrometer as a function of correlation angle ( $\theta$ ) for consecutive, uncorrelated e + e - pairs (red line histogram) compared with the results of the MC simulations (blue line histogram) as explained in the text.