X17 | |
---|---|
Csoport | bozon |
Részt vesz az interakciókban | Ötödik Erő |
Állapot | Hipotetikus |
Súly | 16,70±0,35±0,5 [1] MeV ; 16,84±0,16±0,20 [2] MeV |
Élettartam | 1⋅10 −14 s |
Elméletileg indokolt | Krasznahorkai Attila javaslata 2015-ben |
Kiről vagy miről nevezték el | A részecske tömegéből - körülbelül 17 MeV |
kvantumszámok | |
Elektromos töltés | ±négy3 e |
B−L | ±23 |
Spin | 1 óra |
A pörgési állapotok száma | 3 |
Gyenge túltöltés | ±53 |
Az X17 részecske egy hipotetikus elemi részecske ( bozon ), amelyet 2015 -ben magyar fizikusok Krasznahorkai Attila vezette csoportja javasolt a sötét fotonok – a sötét anyag fotonok analógja – kutatása során végzett mérések rendellenes eredményeinek magyarázatára . Nevét a részecske 17 MeV körüli tömegéről kapta .
A tudósok protonokkal bombázták a lítium-7 célpontját , melynek eredményeként instabil berillium-8 magok keletkeztek, amelyek fotonkibocsátással gyorsan alapállapotba kerültek. Azonban minden ezer ilyen kibocsátott fotonra van egy olyan eset, amikor egy gamma-kvantum a berilliummag belsejében anyag és antianyag részecske - elektron és pozitron - párrá alakul át , amelyek különböző szögekben szóródhatnak [ .
A standard modell azt jósolja, hogy az elektron és a pozitron közötti tágulási szög növekedésével az ilyen részecskék párjainak kialakulásának valószínűsége csökken . Az elmélettel ellentétben azonban a kísérlet az elektron-pozitron párok számának rendellenes növekedését tárta fel körülbelül 140°-os tágulási szög mellett, ami azt jelzi, hogy egy korábban ismeretlen részecske bomlásában részt vehet, amely a fizika törvényeinek túlmutat. Standard modell .
Ezeknek az eredményeknek az olyan hiteles tudományos publikációk általi közzététele, mint a Physical Review Letters , Nature , European Physical Journal és mások széles körű tudományos vitát váltott ki. Más kutatócsoportok is csatlakoztak az anomália vizsgálatához, és az X17 részecske létezésének lehetőségét alátámasztó és cáfoló érveket is megfogalmaztak .
2016- ban az irvine-i Kaliforniai Egyetem fizikusai azt javasolták, hogy az X17 részecske nem a sötét fotonokhoz kapcsolódik, hanem egy feltételezett ötödik erő hordozó részecskéjéhez – egy másik (az elektromágneses , erős , gyenge és gravitációs ) alapvető kölcsönhatáshoz .
2018-2019-ben orosz és európai fizikusok egy csoportja közzétette az X17 részecske kimutatására a CERN -ben végzett NA64 kísérlet adatait , ahol a kutatás még nem hozott eredményt, de a tudósok nem zárták ki teljesen a létezésének lehetőségét .
2019 októberében magyar fizikusok bemutatták egy más kiindulási anyagokkal végzett új kísérlet eredményeit - a molibdén szubsztrát titánrétegében abszorbeált nehéz hidrogénizotóp trícium atomjait protonok bombázták . A létrejövő gerjesztett hélium-4 atommagokban az elektronok és a pozitronok közötti 115°-os tágulási szögben anomáliák keletkeztek, amelyek majdnem hasonlóak a berillium-8-cal végzett kísérlethez. A kísérletet magas , 7,2 σ (szigma) statisztikai szignifikanciával validálták , ami azt jelenti, hogy az anomáliáknak 10 billió esélye van véletlenszerűségre .
Feltételezzük, hogy az X17 részecske keresésére irányuló kísérletek tisztázzák a tudomány számára fontos kérdéseket a sötét anyaggal , a hipotetikus ötödik erővel , valamint a müon rendellenes mágneses momentumával kapcsolatban , amely kulcsot adhat a fizika Standard Modellen kívüli megértéséhez .
2020-ra az X17 részecske létezésének tényét nem erősítették meg, de nem is cáfolták teljesen, a kutatás folytatódik [3] .
2015. április 7- én az MTA Atommagkutató Intézet ( ATOMKI ) magyar fizikusaiból álló csoport Krasznahorkay Attila professzor vezetésével az arXiv.org preprint oldalon publikált egy cikket „A megfigyelés Rendellenes belső pártermelés a 8 Be -ben : A Possible light neutral boson signature ” [4] [5] , amelyet 2016. január 26-án az American Physical Society egyik legrangosabb fizikai folyóirata, a Physical Review Letters [6] adott ki újra. [1] [7] [5] .
A cikk egy új hipotetikus szubatomi részecske létezését feltételezte – egy 16,70 ±0,35( stat. [8] ) ±0,5( stat . [9] ) MeV [1] tömegű , könnyű semleges izoszkaláris bozont , amely Egy elektron tömegének 32700-szorosa [5] , 56-szor kisebb a proton tömegénél [10] és 7500-szor kisebb, mint a Higgs-bozon tömege [11] . A részecske 17 MeV-os lekerekített tömegének tiszteletére a részecske X 17 [12] [11] [13] nevet kapta .
Krasznahorkai és munkatársai úgy döntöttek, hogy újra megvizsgálják az anomáliákat a metastabil [14] berillium-8 belső izovektor párjainak (17,6 MeV) és izokaláris (18,15 MeV) M1-átmeneteinek létrehozása során , amelyeket 1996-2013 között figyeltek meg különböző csoportok. fizikusok [1] . Az izovektor-átmenetek vizsgálata nem mutatott ki figyelemreméltó anomáliákat, azonban az izoszkaláris (18,15 MeV) átmenetek vizsgálata során anomáliákat állapítottak meg [1] .
Egy 2013-2015-ös kísérlet során a sötét anyag fotonjainak analógjának , a sötét fotonoknak a kutatása során a debreceni Van de Graaff gyorsítóban magyar tudósok protonokkal bombázták a lítium-7 stabil izotópjának (pl. a lítium-szuperoxid (LiO 2 ) és Li F 2 anyagok egy része alumínium hordozóra rakódott le , aminek eredményeként egy proton lítium-7 mag általi sugárzási befogása után instabil berillium-8 atommagok keletkeztek. , gyorsan ( 6,7 (17) ⋅ 10 −17 s felezési idővel ) alapállapotba kerül (két hélium-4 atomra bomlik ) fotonkibocsátással [1] [7] [15] [16] . Azonban minden ezer ilyen kibocsátott fotonra előfordulhat egy olyan eset, amikor egy gamma-kvantum a berilliummagban anyag és antianyag részecskék - elektron és pozitron - párrá alakul át , amelyek különböző szögekben szóródhatnak . 16] .
A Standard Modell előrejelzése szerint az elektron és a pozitron közötti tágulási szög növekedésével az ilyen részecskék párjainak kialakulásának valószínűsége csökken [1] [17] [18] [15] [16] .Az elmélettel ellentétben azonban a kísérlet az elektron-pozitron párok számának rendellenes növekedését tárta fel körülbelül 140°-os tágulási szög mellett, ami egy korábban ismeretlen részecske bomlásának lehetséges részvételére utalhat, amely a fizika törvényeinek túlmutat. a szabványos modell [1] [7] [5] [16] .
Annak ellenőrzésére, hogy a mért anomália oka lehet-e a vegyes multipolaritású gamma-sugarak anizotróp szögeloszlása az elektron-pozitron párok szögkorrelációjára gyakorolt hatásának, a magyar tudósok különböző bombázási energiákon végeztek méréseket , amelyek eredményeit bemutatták. a grafikonról szóló cikkben ("a "", "b", "c", "d" grafikonok) [1] .
A bombázást 1,20 MeV ("a"), 1,10 MeV ("b"), 1,04 MeV ("c"), 0,80 MeV ("d"), valamint 1,15 MeV protonenergiákkal (Ep ) hajtották végre. [1] .Az elektronok és pozitronok 140°-os tágulási szögénél jelentkező anomáliákat észleltek (az anomália mértéke szerinti csökkenő sorrendben) a protonenergiáknál: 1,10 MeV ("b" ( max ), 1,04 MeV ("c") és 1,15 MeV (az 1,15 MeV-os anomáliát a grafikon nem mutatja , de a cikk kommentálja - ez az 1,04 MeV-nál megfigyelt anomália körülbelül 60%-a (“c”)) [1] , míg a minimumon (0,80 MeV ("d")) és a kísérletben használt legmagasabb (1,20 MeV ("a") protonenergiák, ilyen anomáliákat nem figyeltek meg , amit később számos tudós külön kritikusan kommentált [16 ] [10] .
Az E p =1,10 MeV (max) anomáliának és a körülbelül 140°-os tágulási szögnek a statisztikai szignifikanciája 6,8 σ (szigma) [1] (ahol általában 5 σ (szigma ) feletti statisztikai szignifikancia ) elegendő egy felfedezés bejelentéséhez ) [19] ), ami 5,6 10 -12 háttér- fluktuációs valószínűségnek felel meg (vagy egyébként az anomália véletlenszerűségének valószínűsége egy esély a 200 milliárdhoz [20] ).
A cikk absztraktjában megjegyezték, hogy egy ilyen anomália összefüggésbe hozható mind egy ismeretlen részecske lehetséges jelenlétével, mind pedig egy magreakció zavaró hatásaival . A magyar tudósok ugyanakkor felhívták a figyelmet arra, hogy mivel a mért elhajlás alakja, amely a protonnyaláb energiájától függ, eltér a direkt vagy fordított aszimmetria alakjától , nem valószínű, hogy az anomáliát a bármilyen interferencia hatása. Ezenkívül az anomália nem magyarázható gamma-háttérrel (mert nem figyelhető meg hatás nem rezonancia körülmények között, amikor a gamma-sugárzási háttér közel azonos), vagy magfizikai eredetű . A részecske tömegének ±0,5 MeV-os szisztematikus hibája a sugár célponton való helyzetének instabilitásával és a detektorok kalibrációjában és pozicionálásával kapcsolatos bizonytalanságokkal magyarázható [1] .
Ezt követően Zhang és Miller megvizsgálták az anomália magfizika kontextusában való megmagyarázásának lehetőségét, amihez a nukleáris átmeneti alaktényezőt vizsgálták , mint az anomália lehetséges okát, és megállapították, hogy a szükséges alaktényező irreális a 8 Be atommag számára. [2] .
A tudósok szerint az X17 részecske egy lehetséges jelölt lehet egy világos U (1) d - mérő bozon szerepére, vagy egy fényközvetítő szerepre izolált sötét anyag esetén - WIMP , vagy egy vektor vagy axiális vektor sötét Z ( Z d ) -részecske, a müon anomális mágneses momentumának ( a μ ) magyarázatára javasolt (figyelembe véve azt a tényt, hogy a sötét fotonokat számos kísérletben nagyrészt kizárták a müon anomális mágneses momentumának lehetséges okai közül ) [1] [7] [20] , ahol az X17-es részecske keresésére irányuló kísérletek megadhatják a kulcsot a Standard Modellen túlmutató fizika megértéséhez [11] .
Kutatócsoport az USI-tól2016-ban Jonathan Feng és társszerzői az Irvine-i Kaliforniai Egyetemről (UCI) nagyszabású tanulmányt készítettek, amelyben a Krasnahorkai csoport eredményeit egy tucatnyi, az elmúlt évszázad során ezen a területen végzett munkával hasonlították össze [7] [21]. [5] . Megállapítást nyert, hogy annak ellenére, hogy az új eredmények nem ütköznek a korábbi vizsgálatokkal, van bennük valami, ami eddig nem volt látható, ami nem magyarázható a Standard Modell keretein belül.
Feng csoportja azt javasolta, hogy az új részecske nem magyarázható a meglévő elmélettel, mivel ilyen kis tömeggel és az ismert törvények keretein belüli leírással korábban felfedezték volna [5] . Ha a részecskét a fizika új törvényei írják le , akkor ebben az esetben az X17 részecske nem a sötét fotonokhoz kapcsolódik , hanem a hipotetikus ötödik erő hordozó részecskéjéhez (ötödik kölcsönhatás) - még egy (az elektromágneses , erős , gyenge és gravitációs ) alapvető kölcsönhatás [7] [5] .
Feng és munkatársai olyan modellt fejlesztettek ki, amely egy „protofób” részecskét tartalmaz, amelyet a korábbi adatok sem zártak ki, az X-bozont [7] [21] [5] [16] . "Protofób", azaz "félelmetes" részecske, amely elkerüli a protonokat, rendkívül ritkán lép kölcsönhatásba a protonokkal (a protonnal való kölcsönhatását el kell nyomni), de kölcsönhatásba léphet a neutronokkal ("neutrofil"). Az „ötödik erő” kölcsönhatása egy ilyen protofób és neutrofil részecske részvételével 12 femtométer (fm) (12 protonméret) távolságban nyilvánul meg [7] [5] [20] . A modellben is a részecske kölcsönhatásba lép elektronokkal, fel és le kvarkokkal [ 7] [20] .
A CERN -ben 2016 márciusában elindított NA64 kísérlet részeként ( a CERN, az Orosz Tudományos Akadémia Nukleáris Kutatóintézete ( Moszkva ), a Nagyenergiájú Fizikai Intézet ( Protvino ) részvételével, a P. N. Lebegyev Az Orosz Tudományos Akadémia Fizikai Intézete (Moszkva), a Közös Atommagkutató Intézet ( Dubna ), a Moszkvai Állami Egyetem D. V. Skobeltsyn Atommagfizikai Intézete (Moszkva), egy tudóscsoport Tomszkból , a Bonni Egyetem (Németország ) ), a Pátrai Egyetem (Görögország), a Federico Santa Maria Műszaki Egyetem (Chile), Részecskefizikai Intézet (Svájc) [22] ), valamint a sötét fotonok és a sötét anyag egyéb részecskéinek felkutatásával kapcsolatos problémák megoldása , az X17 részecske keresését is végrehajtják [3] .
Egy kísérlet során a CERN Proton Super Synchrotron (SPS) fizikusai több tízmilliárd elektront bocsátanak ki egy rögzített célpontra. Az X17 részecske létezése esetén ez oda vezetne, hogy a kibocsátott elektronok és a célpontban lévő atommagok közötti kölcsönhatásokból időnként ez a részecske keletkezne, amely aztán elektron-pozitron párrá alakulna. . Az NA64 együttműködés még nem talált arra utaló jelet, hogy ilyen események történtek volna, de a kapott adatok lehetővé teszik az X17 részecske és az elektron közötti kölcsönhatási erő néhány lehetséges értékének kizárását. Jelenleg a kutatás következő szakaszára tervezik a detektor korszerűsítését, ami várhatóan még nehezebb lesz, mint a korábbiak [3] [23] .
Szergej Gnyinenko, az Orosz Tudományos Akadémia Nukleáris Kutatóintézetének vezető kutatója, az NA64 projekt egyik képviselője szerint a magyar tudósok által feltárt anomáliáknak három fő oka lehet - magának a kísérletnek néhány jellemzője. , a magfizika egyes hatásai, vagy valami alapvetően új dolog, mint például az új részecske (X17). Annak a hipotézisnek a teszteléséhez, hogy az anomáliát pontosan egy új részecske okozza, mind a berillium-8-ra és a hélium-4-re vonatkozó eredmények kompatibilitásának részletes elméleti elemzésére, mind pedig független kísérleti megerősítésre [3] [23] van szükség .
Ezenkívül az X17 részecske kimutatása is lehetséges az LHCb kísérlet keretein belül . Jesse Thaler, az MIT elméleti fizikusa szerint az LHCb-kísérletnek 2023-ra kell végleges következtetést levonnia az X17 részecske létezéséről vagy nemlétéről [3] .
2019. október 23-án Krasznahorkai és munkatársai az ATOMKI-tól az arXiv.org weboldalon közzétették egy cikk előnyomatát "Új bizonyítékok, amelyek megerősítik az X17 hipotetikus részecske létezését" címmel egy új kísérletről [2] , amelyet más kiindulási anyagok felhasználásával végeztek. Magyar tudósok nehéz atomokat bombáztak a trícium - hidrogén izotóp protonjaival , amelyek egy 0,4 mm vastag molibdén korongon lerakott titánrétegben abszorbeálódnak . Proton befogása után a trícium hélium-4- é alakult , amelynek gerjesztett magjai (a fotonokkal együtt) elektron- és pozitronpárokat bocsátottak ki, amelyek megszülettek.
A bombázást E p =900 keV energiájú protonokkal hajtották végre, hogy a második gerjesztett állapotot (0 − ) a 4 He-ben E x =21,01 MeV-on ( Γ=0,84 MeV szélességben) helyezzék el . Ez a bombázási energia a reakcióküszöb ( p , n ) alatt van (E thr =1,018 MeV), és csak E x =20,49 MeV-ig gerjeszti a 4 He atommagot (ami a második gerjesztett állapot szélességének középpontja alatt van 0 − ) [2] .
Az elektronok és a pozitronok 115°-os tágulási szögénél anomáliákat rögzítettek, amelyek majdnem hasonlóak a berillium-8-cal végzett kísérlethez, 140°-os tágulási szögben [2] [24] [25] .
A feltételezett részecske tömegét 16,84 ±0,16( stat. [8] ) ±0,20( stat . [9] ) MeV [2] [26] -ra becsülték (ami 0,17 MeV-tal több, mint a kísérletben szereplő részecske tömege berillium-8-cal, de ugyanakkor nem lépi túl a 0,35 MeV statisztikai hibáját ).
A kutatók azt állítják, hogy a kísérletet nagy , 7,2 σ (szigma) statisztikai szignifikancia erősíti meg [2] , vagyis az anomáliák véletlenszerűségének valószínűsége egy esély a 10 billióhoz [27] , ami megerősíti az érvet a az X17 részecske létezése a berillium-8-cal végzett kísérlethez képest .
Amint azt a cikk [2] megjegyezte, a CERN-ben végzett NA64 kísérlet kizárta az X17 részecske megengedett paraméterterének egy részét, de az ígéretes 4,2 10 -4 ≤ e ≤ 1,4 10 -3 régiót feltáratlanul hagyta .
Ezt a tényt a tudományos újságírás foglalkozta, ahol a fő figyelmet az X17 részecske és a megfelelő ötödik erő jelenlétében bekövetkező következményekre fordították a sötét anyag keresésében.
Don Lincoln , amerikai elemi részecskefizika kutató, a Fermilab tagja , aki 2012 -ben, 2016-ban (vagyis a magyar tudósok eredményeinek 2019 -publikálása előtt)részt vett a Higgs-bozon felfedezésébena hélium-4 atomok bomlási anomáliájának megfigyelése ) kommentálta a Krasznahorkai csoport kijelentésétegy 17 MeV tömegű új bozon lehetséges 2015 -ös felfedezéséről , ahol megjegyezte, hogy a részecskék amelyek 17 MeV nagyságrendű energiáknál jelennek meg - ami a mai becslések szerint viszonylag alacsony - meglehetősen jól tanulmányozott, és váratlan lenne egy új, korábban ismeretlen részecskét felfedezni ebben a tartományban. Lincoln kételkedik abban, hogy a tudományos közösség elfogadja a 12 fm hatótávolságú ötödik erő és a protonokat elkerülő részecske létezését [5] .
Lincoln szerint az USI csoport tagjai jó hírnévvel rendelkeznek, és szakterületük professzionális szakértői. Emellett a magyar csoport publikálja a munkát a tekintélyes, lektorált Physical Review Letters fizikai folyóiratban . A magyar csoportnak azonban van két korábban publikált közleménye, ahol hasonló anomáliákat figyeltek meg, köztük lehetséges 12 és 13 MeV tömegű részecskéket is, amelyeket későbbi kísérletek cáfoltak. A magyar csoport tagjai ugyanakkor nem tudták megmagyarázni a cáfolt művek hibáinak okát. Ezenkívül ez a csoport ritkán publikált olyan adatokat, amelyek nem tartalmaztak anomáliákat [5] .
Hasonló álláspontot képvisel Natalie Walchover és Oscar Navigla-Kunsik amerikai fizikus [28] .
Jesse Thaler, a Massachusetts Institute of Technology elméleti fizikusa is kételkedik az X17-es részecske létezésében: „Ha felajánlanák, hogy a Standard Modell tetszőleges módon bővítem, akkor biztosan nem ez lenne az első dolog, amihez hozzájárulnék” [20] [11] .
Reuven Essig, a Stony Brook-i New York-i Állami Egyetem munkatársa szerint : "Ennek a bozonnak a tulajdonságai kissé váratlanok, és nem valószínű, hogy ezt megerősítik" [11] .
Andrej Rosztovcev, a fizikai és matematikai tudományok doktora, az Orosz Tudományos Akadémia A. A. Harkevics Információátviteli Problémákkal foglalkozó Intézetének vezető munkatársa szkeptikusan fogadta a magyar tudósok kijelentését, felhívva a figyelmet arra, hogy a kísérletben anomália látszik. csak bizonyos bombázási energiáknál : „A grafikon azt mutatja, hogy a beeső protonok energiájának csak két értékénél figyelhető meg eltérés [29] , de ez más energiaindexekre nem vonatkozik. Kissé megváltoztattuk a protonok energiáját - és a „fröccsenés” eltűnt. Ez általában akkor történik, amikor bizonyos kísérleti nehézségek merülnek fel. Hiszen a berillium is berillium Afrikában, és nem mindegy, milyen energiával nyerték” [16] .
A tudós megjegyezte, hogy a Krasznahorkai csoport nem próbálja megmagyarázni ezt a körülményt, és azt is jelezte, hogy az állítólagos részecske élettartamát 10-14 másodpercre becsülik, ami elég sok, és furcsa, hogy nem találták meg nagyszámú hasonló kísérlet. A helyzet az OPERA kísérlet történetét juttatta eszébe, ahol a szuperluminális sebességgel repülő neutrínók felfedezését jelentették be , ahol végül kiderült, hogy az ok egy rosszul csatlakoztatott kábel volt [16] .
2016. május 26-án Igor Ivanov orosz fizikus és a tudomány népszerűsítője [30] kommentálta a helyzetet , mondván, hogy a magfizikában rendszeresen előfordulnak különböző eltérések, mivel problémás az atommagok gerjesztési spektrumának megfelelő kiszámítása, még a könnyűek esetében is. és ezért ebben az esetben nagy valószínűséggel a magfizika rosszul leírt hatása [31] .
Hipotetikus részecskék a fizikában | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
alapvető részecskék |
| ||||||||||
Kompozit részecskék |
|