Эксперименты по поиску частицы X17
Статьи по бериллию:
Бериллиоз
Вместо солнца скажи "Осанна"
Вместо солнца скажи "Осанна" 2 часть
Бериллий в экспериментах по поиску 5 силы природы
Частица X17 - пятый элемент?
Аномалия бериллия-8
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[7][21][5]. 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[5]. 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[7][5].
Фенг с соавторами разработали модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранее полученными данными - Х-бозон[7][21][5][16]. «Протофобная», то есть «боящаяся», избегающая протонов частица, крайне редко взаимодействует с протонами (её взаимодействие[en] 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)[7][5][20]. Также в модели частица взаимодействует с электронами, верхним и нижним кварком[7][20].
Эксперимент NA64
В рамках стартовавшего в марте 2016 года в ЦЕРНе эксперимента[en] NA64 (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), Технического университета Федерико Санта-Мария[en] (Чили), Института физики частиц (Швейцария)[22]), наряду с решением задач по поиску тёмных фотонов, иных частиц тёмной материи, также осуществляется поиск частицы X17[3].
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[3][23].
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[3][23].
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[3].
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[2], 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 Ep=900 кэВ для заселения второго возбужденного состояния (0−) в 4He, расположенного при Ex=21,01 МэВ (с шириной Γ=0,84 МэВ). Эта энергия бомбардировки находится ниже порога реакции (p,n) (Ethr=1,018 МэВ) и возбуждает ядро 4He лишь до Ex=20,49 МэВ (что ниже центра ширины второго возбужденного состояния 0−)[2].
При угле разлёта электронов и позитронов в 115° были зафиксированы аномалии, почти аналогичные таковым в эксперименте с бериллием-8 при угле разлёта в 140°[⇨][2][24][25].
Масса предполагаемой частицы была оценена в 16,84±0,16(стат.[8])±0,20(сист.[9]) МэВ[2][26] (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)[2], то есть вероятность случайности аномалий составляет один шанс на 10 триллионов[27], что усиливает аргумент в пользу существования частицы X17 в сравнении с экспериментом с бериллием-8[⇨].
Как отмечено в статье[2], эксперимент NA64 в ЦЕРНе[⇨] исключил часть разрешённого пространства параметров для частицы Х17, но оставил неисследованным перспективный район 4,2{\displaystyle \cdot }\cdot 10-4≤{\displaystyle \in }\in е≤1,4{\displaystyle \cdot }\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.
Бериллиоз
Вместо солнца скажи "Осанна"
Вместо солнца скажи "Осанна" 2 часть
Бериллий в экспериментах по поиску 5 силы природы
Частица X17 - пятый элемент?
Аномалия бериллия-8
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[7][21][5]. 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[5]. 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[7][5].
Фенг с соавторами разработали модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранее полученными данными - Х-бозон[7][21][5][16]. «Протофобная», то есть «боящаяся», избегающая протонов частица, крайне редко взаимодействует с протонами (её взаимодействие[en] 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)[7][5][20]. Также в модели частица взаимодействует с электронами, верхним и нижним кварком[7][20].
Эксперимент NA64
В рамках стартовавшего в марте 2016 года в ЦЕРНе эксперимента[en] NA64 (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), Технического университета Федерико Санта-Мария[en] (Чили), Института физики частиц (Швейцария)[22]), наряду с решением задач по поиску тёмных фотонов, иных частиц тёмной материи, также осуществляется поиск частицы X17[3].
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[3][23].
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[3][23].
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[3].
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[2], 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 Ep=900 кэВ для заселения второго возбужденного состояния (0−) в 4He, расположенного при Ex=21,01 МэВ (с шириной Γ=0,84 МэВ). Эта энергия бомбардировки находится ниже порога реакции (p,n) (Ethr=1,018 МэВ) и возбуждает ядро 4He лишь до Ex=20,49 МэВ (что ниже центра ширины второго возбужденного состояния 0−)[2].
При угле разлёта электронов и позитронов в 115° были зафиксированы аномалии, почти аналогичные таковым в эксперименте с бериллием-8 при угле разлёта в 140°[⇨][2][24][25].
Масса предполагаемой частицы была оценена в 16,84±0,16(стат.[8])±0,20(сист.[9]) МэВ[2][26] (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)[2], то есть вероятность случайности аномалий составляет один шанс на 10 триллионов[27], что усиливает аргумент в пользу существования частицы X17 в сравнении с экспериментом с бериллием-8[⇨].
Как отмечено в статье[2], эксперимент NA64 в ЦЕРНе[⇨] исключил часть разрешённого пространства параметров для частицы Х17, но оставил неисследованным перспективный район 4,2{\displaystyle \cdot }\cdot 10-4≤{\displaystyle \in }\in е≤1,4{\displaystyle \cdot }\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.