Частица X17 — гипотетическая элементарная частица ( бозон ), предложенная в 2015 году группой венгерских физиков под руководством для объяснения аномальных результатов измерений в ходе поиска тёмных фотонов — аналога фотонов для тёмной материи . Названа в честь массы частицы около 17 МэВ .

Учёные произвели бомбардировку протонами мишени из лития-7 , вследствие чего образовались нестабильные ядра бериллия-8 , быстро переходящие в основное состояние с излучением фотона. Однако на каждую тысячу таких излучаемых фотонов приходится один случай превращения гамма-кванта внутри ядра бериллия в пару частиц материи и антиматерии — электрона и позитрона , которые могут разлетаться под разными углами .

Стандартная модель предсказывает, что при увеличении угла разлёта между электроном и позитроном вероятность образования пар таких частиц должна уменьшаться . Однако вопреки теории в эксперименте числа электрон-позитронных пар при угле разлёта около 140°, что свидетельствует о возможном участии в распаде ранее неизвестной частицы, подчиняющейся законам физики за пределами Стандартной модели .

Опубликование этих результатов такими авторитетными научными изданиями как Physical Review Letters , Nature , European Physical Journal и иными вызвало широкую научную дискуссию. К изучению аномалии подключились и другие исследовательские группы, высказавшие аргументы как в поддержку, так и в опровержение возможности существования частицы Х17 .

В 2016 году физики из Калифорнийского университета в Ирвайне предположили, что частица Х17 имеет отношение не к тёмным фотонам, а к частице-переносчику гипотетической пятой силы — ещё одного (наряду с электромагнитным , сильным , слабым и гравитационным ) фундаментального взаимодействия .

В 2018—2019 годах группой российских и европейских физиков были опубликованы данные проводимого в ЦЕРНе эксперимента по обнаружению частицы Х17, где её поиск пока не дал результатов, однако учёные не исключили полностью возможность её существования .

В октябре 2019 года венгерские физики представили результаты нового эксперимента с другими исходными материалами — бомбардировке протонами подверглись атомы тяжёлого изотопа водорода трития , абсорбированного в слое титана на молибденовой подложке . В образовавшихся возбуждённых ядрах гелия-4 , при угле разлёта между электронами и позитронами в 115°, возникли аномалии, почти аналогичные таковым в эксперименте с бериллием-8. Эксперимент был подтверждён с высокой статистической значимостью в 7,2 σ (сигма) , то есть вероятность случайности аномалий составляет один шанс на 10 триллионов .

Предполагается, что эксперименты по поиску частицы Х17 прояснят важные для науки вопросы о тёмной материи , гипотетической пятой силе , а также об аномальном магнитном моменте мюона , что может дать ключ к пониманию физики вне пределов Стандартной модели .

На 2020 год факт существования частицы Х17 не подтверждён, но и окончательно не опровергнут, исследования продолжаются .

История

Аномалия бериллия-8

7 апреля 2015 года группа венгерских физиков из Института ядерных исследований Венгерской академии наук ( ) под руководством профессора Аттилы Краснахоркаи (Attila Krasznahorkay) опубликовала на сайте препринтов arXiv.org статью под названием «Наблюдение аномального образования внутренней пары в ⁸ Be : возможная лёгкого нейтрального бозона» , которую 26 января 2016 года переопубликовал один из самых престижных физических журналов Американского физического общества Physical Review Letters .

В статье предполагалось существование новой гипотетической субатомной частицы — лёгкого нейтрального бозона массой 16,70 ±0,35( стат. )±0,5( сист. ) МэВ , что в 32700 раза больше массы электрона , в 56 раз меньше массы протона , и в 7500 раз меньше массы бозона Хиггса . В честь округлённой массы частицы в 17 МэВ частица была названа Х 17 .

Краснахоркаи с коллегами решили повторно исследовать аномалии при создании внутренних пар (17,6 МэВ) и изоскалярных (18,15 МэВ) M1-переходов в метастабильном бериллии-8, наблюдавшиеся в 1996—2013 годах разными группами физиков . Исследование изовекторных переходов не показало каких-либо примечательных аномалий, однако в ходе изучения изоскалярных (18,15 МэВ) переходов аномалии были установлены .

В ходе проведения в 2013—2015 годах эксперимента по поиску тёмных фотонов — аналога фотонов для тёмной материи , венгерские учёные на расположенном в Дебрецене ускорителе Ван де Граафа производили бомбардировку протонами мишени из стабильного изотопа лития-7 (в составе и вещества Li F ₂ , нанесённых на алюминиевую подложку), вследствие чего, после радиационного захвата протона ядром лития-7, образовывались нестабильные ядра бериллия-8 , быстро (с периодом полураспада 6,7(17)⋅10 ⁻¹⁷ с) переходящие в основное состояние (распад на два атома гелия-4 ) с излучением фотона . Однако на каждую тысячу таких излучаемых фотонов может приходиться один случай превращения гамма-кванта внутри ядра бериллия в пару частиц материи и антиматерии — электрона и позитрона , которые могут разлетаться под разными углами .

Стандартная модель предсказывает, что при увеличении угла разлёта между электроном и позитроном вероятность образования пар таких частиц должна уменьшаться . Однако вопреки теории в эксперименте обнаружилось аномальное увеличение числа электрон-позитронных пар при угле разлёта около 140°, что может свидетельствовать о возможном участии в распаде ранее неизвестной частицы, подчиняющейся законам физики за пределами Стандартной модели .

Для проверки того, может ли измеренная аномалия быть связанной с влиянием на угловую корреляцию электрон-позитронных пар анизотропного углового распределения гамма-лучей со смешанной мультиполярностью, венгерские учёные провели измерения при различных энергиях бомбардировки, результаты чего в статье были приведены на (графики «a», «b», «c», «d») .

Бомбардировка была проведена с энергиями протонов (E _p ) в 1,20 МэВ («a»), 1,10 МэВ («b»), 1,04 Мэв («c»), 0,80 МэВ («d»), а также в 1,15 МэВ . Аномалии при угле разлёта электронов и позитронов в районе 140° были отмечены (в порядке убывания степени аномалии) при энергиях протонов: 1,10 МэВ («b») ( max ), 1,04 Мэв («c») и 1,15 МэВ (аномалия при 1,15 МэВ не показана на , но прокомментирована в статье — составила около 60 % от аномалии, наблюдаемой при 1,04 МэВ («c»)) , тогда как при самой минимальной (0,80 МэВ («d»)) и самой максимальной (1,20 МэВ («a»)) энергиях протонов, использовавшихся в эксперименте, такие аномалии не наблюдались , что впоследствии было отдельно критически прокомментировано рядом учёных .

Аномалия при (max) и угле разлёта около 140° имеет статистическую значимость в 6,8 σ (сигма) (где обычно считается, что для объявления об открытии достаточно статистической значимости более 5 σ (сигма) ), что соответствует вероятности флуктуации фона в 5,6 ${\displaystyle \cdot }$ 10 ^-12 (или, иначе, вероятность случайности аномалии составляет один шанс на 200 миллиардов ).

В аннотации к статье было отмечено, что подобная аномалия может быть связана как с возможным наличием неизвестной частицы, так и с интерференционными эффектами ядерной реакции . В то же время, далее венгерские учёные указали, что поскольку зависимая от энергии протонного пучка форма измеренного отклонения отличается от формы прямой или обратной асимметрии , то маловероятно, что причиной аномалии является влияние каких-либо помех. Кроме того, аномалия не может быть объяснена фоном, связанным с гамма-излучением (поскольку не наблюдается никакого эффекта в условиях отсутствия резонанса, когда фон гамма-излучения почти одинаков), либо иметь происхождение, связанное с ядерной физикой . Систематическая ошибка в ±0,5 МэВ в массе частицы объясняется нестабильностью положения луча на мишени и неопределенностями в калибровке и позиционировании детекторов .

Впоследствии Чжан и Миллер исследовали возможность объяснить аномалию в контексте ядерной физики, для чего исследовали формфактор ядерного перехода как возможную причину аномалии, и обнаружили, что требуемый формфактор нереалистичен для ядра ⁸ Be .

По мнению учёных, частица Х17 может быть возможным кандидатом на роль лёгкого U(1) _d - калибровочного бозона , или лёгкого посредника в сценарии с изолированной тёмной материей — вимпа , либо векторной или аксиальной векторной тёмной Z(Z _d ) -частицы, предлагавшейся для объяснения аномального магнитного момента мюона ( a _μ ) (с учётом того, что тёмные фотоны рядом проведённых экспериментов были в значительной мере исключены из возможных причин аномального магнитного момента мюона) , где эксперименты по поиску частицы Х17 могут дать ключ к пониманию физики вне пределов Стандартной модели .

Исследование группы из УКИ

В 2016 году Джонатан Фенг с соавторами из Калифорнийского университета в Ирвайне (УКИ) провели масштабное исследование по сопоставлению результатов группы Краснахоркаи с десятком полученных за последнее столетие в этой области работ . Было установлено, что, несмотря на то, что новые результаты не конфликтуют с предыдущими исследованиями, в них наблюдается нечто ранее не встречавшееся, не поддающееся объяснению в рамках Стандартной модели.

Группа Фенга предположила, что новая частица не объясняется существующей теорией, так как при такой малой массе и описании в рамках известных законов она была бы обнаружена ранее . Если частица описывается новыми законами физики , то в таком случае частица Х17 может иметь отношение не к тёмным фотонам , а к частице-переносчику гипотетической пятой силы (пятого взаимодействия) — ещё одного (наряду с электромагнитным , сильным , слабым и гравитационным ) фундаментального взаимодействия .

Фенг с соавторами разработали модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранее полученными данными — X-бозон . «Протофобная», то есть «боящаяся», избегающая протонов частица, крайне редко взаимодействует с протонами (её с протоном должно быть подавлено), но может взаимодействовать с нейтронами («нейтрофильная»). Взаимодействие «пятой силы», при участии подобной протофобной и нейтрофильной частицы, должно проявляться на расстоянии 12 фемтометров (фм) (12 размеров протона) . Также в модели частица взаимодействует с электронами, верхним и нижним кварком .

Эксперимент NA64

В рамках стартовавшего в марте 2016 года в ЦЕРНе (при участии ЦЕРНа, Института ядерных исследований РАН ( Москва ), Института физики высоких энергий ( Протвино ), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Объединённого института ядерных исследований ( Дубна ), НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ (Москва), группы учёных из Томска , Боннского университета (Германия), Университета Патр (Греция), (Чили), Института физики частиц (Швейцария) ), наряду с решением задач по поиску тёмных фотонов , иных частиц тёмной материи , также осуществляется поиск частицы X17 .

В ходе эксперимента физики на протонном суперсинхротроне (SPS) ЦЕРНа обстреливают неподвижную мишень пучками из десятков миллиардов электронов. В случае существования частицы X17 это приводило бы к тому, что взаимодействия между выпускаемыми электронами и ядрами атомов в мишени иногда порождали бы эту частицу, которая затем превращалась бы в электрон-позитронную пару. Коллаборация NA64 пока не нашла никаких признаков того, что такие события имели место, но полученные данные позволяют исключить часть возможных значений для силы взаимодействия между частицей X17 и электроном. В настоящее время планируется модернизировать детектор для следующего этапа поиска, который, как предполагается, будет ещё сложнее предыдущих .

По словам Сергея Гниненко, — ведущего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН и одного из представителей проекта NA64, — выявленные венгерскими учёными аномалии могут обуславливаться тремя основными причинами — какими-то особенностями самого эксперимента, некими эффектами ядерной физики, или чем-то принципиально новым, таким, как новая частица (Х17). Для проверки гипотезы о том, что аномалия вызвана именно новой частицей, необходимы как детальный теоретический анализ совместимости результатов по бериллию-8 и гелию-4, так и независимое экспериментальное подтверждение .

Кроме того, обнаружение частицы Х17 также возможно в рамках эксперимента LHCb . По словам физика-теоретика из Массачусетского технологического института Джесси Талера, эксперимент LHCb должен сделать окончательный вывод о существовании или несуществовании частицы Х17 к 2023 году .

Эксперимент с гелием-4

23 октября 2019 года Краснахоркаи с коллегами из ATOMKI опубликовали на сайте arXiv.org препринт статьи под названием «Новые доказательства, подтверждающие существование гипотетической частицы X17» о новом эксперименте , проведённом с использованием других исходных материалов — венгерские учёные подвергли бомбардировке протонами атомы тяжёлого изотопа водорода трития , абсорбированного в слое титана , нанесённого на молибденовый диск толщиной 0,4 мм. После захвата протона тритий превращался в гелий-4 , возбуждённые ядра которого излучали (наряду с фотонами) пары рождавшихся электронов и позитронов.

Бомбардировка осуществлялась протонами с энергией E _p =900 кэВ для заселения второго возбужденного состояния (0 ⁻ ) в ⁴ He, расположенного при E _x =21,01 МэВ (с шириной Γ=0,84 МэВ). Эта энергия бомбардировки находится ниже порога реакции ( p , n ) (E _thr =1,018 МэВ) и возбуждает ядро ⁴ He лишь до E _x =20,49 МэВ (что ниже центра ширины второго возбужденного состояния 0 ⁻ ) .

При угле разлёта электронов и позитронов в 115° были зафиксированы аномалии, почти аналогичные таковым в эксперименте с бериллием-8 при угле разлёта в 140° .

Масса предполагаемой частицы была оценена в 16,84 ±0,16( стат. )±0,20( сист. ) МэВ (что на 0,17 МэВ больше массы частицы в эксперименте с бериллием-8, но при этом не выходит за пределы её статистической погрешности в 0,35 МэВ ).

Исследователи утверждают, что эксперимент подтверждается с высокой статистической значимостью в 7,2 σ (сигма) , то есть вероятность случайности аномалий составляет один шанс на 10 триллионов , что усиливает аргумент в пользу существования частицы X17 в сравнении с экспериментом с бериллием-8 .

Как отмечено в статье , эксперимент NA64 в ЦЕРНе исключил часть разрешённого пространства параметров для частицы Х17, но оставил неисследованным перспективный район 4,2 ${\displaystyle \cdot }$ 10 ^-4 ≤ ${\displaystyle \in }$ _е ≤1,4 ${\displaystyle \cdot }$ 10 ^-3 .

Данный факт был освещён в научной журналистике, где основное внимание уделялось последствиям, которые будут иметь место при наличии частицы X17 и соответствующей пятой силы в рамках поиска тёмной материи.

Критика

, американский исследователь в области физики элементарных частиц , член Фермилаба , принимавший участие в открытии бозона Хиггса в 2012 году , в 2016 году (то есть до публикации результатов венгерских учёных 2019 года о наблюдении аномалии в распаде атомов гелия-4 ) прокомментировал заявление группы Краснахоркаи о возможном обнаружении ими в 2015 году нового бозона массой 17 МэВ , где отметил, что частицы, возникающие при энергиях порядка 17 Мэв, — что относительно низко по современным оценкам, — достаточно хорошо изучены, и было бы неожиданным обнаружить в этом диапазоне новую, ранее неизвестную, частицу. Линкольн сомневается, что научное сообщество примет существование пятого взаимодействия с радиусом действия в 12 фм и частицу, избегающую протонов .

По мнению Линкольна, участники группы из УКИ имеют хорошую репутацию и являются профессиональными экспертами в своей области. В плюс венгерской группе идёт публикование работы в авторитетном, рецензируемом физическом журнале Physical Review Letters . Однако венгерская группа имеет две предыдущие опубликованные работы, где наблюдались похожие аномалии, включая возможные частицы с массами в и МэВ, однако обе эти работы были опровергнуты последующими экспериментами. При этом члены венгерской группы не смогли объяснить причину ошибок в опровергнутых работах. Также эта группа редко публиковала данные, не содержащие аномалий .

Подобной позиции придерживаются американские физики Натали Уолчовер и Оскар Навилья-Кунсик .

Физик-теоретик из Массачусетского технологического института Джесси Талер также сомневается в существовании частицы Х17: «Если бы мне предложили расширить Стандартную Модель так, как мне хочется, то это определённо не было бы первым, что я бы в неё внёс» .

По словам Рувена Эссига из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук : «Свойства этого бозона слегка неожиданны, и маловероятно, что это подтвердится» .

Ведущий сотрудник Института проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН доктор физико-математических наук Андрей Ростовцев скептически отнёсся к заявлению венгерских учёных, обратив внимание на то, что аномалия в эксперименте появляется лишь при определённых энергиях бомбардировки : «На видно, что отклонения наблюдаются только при двух значениях энергии падающих протонов , при других показателях энергии этого нет. Немного поменяли энергию протонов — и „всплеск“ исчез. Обычно такое бывает, когда возникают определённые экспериментальные сложности. Ведь бериллий — он и в Африке бериллий, и не важно, при какой энергии он получен» .

Учёный отметил, что группа Краснахоркаи не пытается объяснить данное обстоятельство, и также указал, что время жизни предполагаемой частицы оценивается в 10 ^-14 секунды, что довольно много, и странно то, что в большом числе аналогичных экспериментов её так и не обнаружили. Ситуация напомнила ему историю с экспериментом OPERA , где было объявлено об открытии нейтрино , летевших со сверхсветовой скоростью , где в итоге оказалось, что причиной был плохо подключённый кабель .

Ситуацию 26 мая 2016 года прокомментировал российский физик и популяризатор науки Игорь Иванов , сообщив, что различные отклонения в ядерной физике возникают регулярно, поскольку проблематично адекватно сосчитать спектр возбуждений ядер, пусть даже лёгких, в связи с чем и в данном случае, с большой долей вероятности, имеет место плохо описываемый эффект ядерной физики .

См. также

• Пятая сила
• Тёмная энергия
• Тёмный фотон

Примечания

Литература