X17 (partícula)

X17
Grupo bosón
Participa en interacciones Quinta Fuerza
Estado Hipotético
Peso 16,70±0,35±0,5 [1]  MeV ; 16,84±0,16±0,20 [2]  MeV
Toda la vida 1⋅10 −14 s
Teóricamente justificado Propuesto por Attila Krasnahorkai en 2015
Quién o qué lleva el nombre De la masa de la partícula - alrededor de 17 MeV
números cuánticos
Carga eléctrica ±cuatro3 mi
B−L ±23
Girar 1 hora
Número de estados de giro 3
Hipercarga débil ±53

La partícula X17  es una partícula elemental hipotética ( bosón ) propuesta en 2015 por un grupo de físicos húngaros dirigido por Attila Krasnahorkai para explicar los resultados anómalos de las mediciones durante la búsqueda de fotones oscuros  , un análogo de los fotones para la materia oscura . Nombrado después de la masa de la partícula alrededor de 17 MeV .

Los científicos bombardearon un objetivo de litio-7 con protones , como resultado de lo cual se formaron núcleos inestables de berilio-8 , convirtiéndose rápidamente en el estado fundamental con emisión de fotones. Sin embargo, por cada mil de estos fotones emitidos, hay un caso de transformación de un cuántico gamma dentro del núcleo de berilio en un par de partículas de materia y antimateria  : un electrón y un positrón , que pueden dispersarse en diferentes ángulos .

El Modelo Estándar predice que con un aumento en el ángulo de expansión entre un electrón y un positrón , la probabilidad de formación de pares de tales partículas debería disminuir . Sin embargo, contrariamente a la teoría, el experimento reveló un aumento anómalo en el número de pares electrón-positrón en un ángulo de expansión de unos 140°, lo que indica la posible participación en la desintegración de una partícula previamente desconocida que obedece a las leyes de la física más allá del Modelo estándar .

La publicación de estos resultados por publicaciones científicas autorizadas como Physical Review Letters , Nature , European Physical Journal y otras provocó una amplia discusión científica. Otros grupos de investigación también se sumaron al estudio de la anomalía, expresando argumentos tanto a favor como en refutación de la posibilidad de la existencia de la partícula X17 .

En 2016, físicos de la Universidad de California en Irvine sugirieron que la partícula X17 no está relacionada con los fotones oscuros, sino con una partícula portadora de una hipotética quinta fuerza , otra interacción fundamental  (junto con la electromagnética , la fuerte , la débil y la gravitacional ) .

En 2018-2019, un grupo de físicos rusos y europeos publicaron datos del experimento NA64 realizado en el CERN para detectar la partícula X17, donde su búsqueda aún no ha arrojado resultados, pero los científicos no han descartado por completo la posibilidad de su existencia .

En octubre de 2019, físicos húngaros presentaron los resultados de un nuevo experimento con otros materiales de partida: átomos del isótopo pesado de hidrógeno tritio , absorbidos en una capa de titanio sobre un sustrato de molibdeno , fueron bombardeados por protones . En los núcleos de helio-4 excitados resultantes , en un ángulo de expansión entre electrones y positrones de 115°, surgieron anomalías, casi similares a las del experimento con berilio-8. El experimento ha sido validado con una alta significación estadística de 7,2 σ (sigma) , lo que significa que las anomalías tienen una probabilidad de ser aleatoria en 10 billones .

Se supone que los experimentos para buscar la partícula X17 aclararán cuestiones importantes para la ciencia sobre la materia oscura , la hipotética quinta fuerza , así como el momento magnético anómalo del muón , que puede dar la clave para entender la física fuera del Modelo Estándar .

Para 2020, no se ha confirmado el hecho de la existencia de la partícula X17, pero tampoco se ha refutado por completo, continúa la investigación [3] .

Historia

Anomalía de berilio-8

El 7 de abril de 2015, un grupo de físicos húngaros del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias ( ATOMKI ), dirigido por el profesor Attila Krasznahorkay, publicó un artículo en el sitio de preimpresión arXiv.org titulado “Observación de Producción de pares internos anómalos en 8 Be : A Possible light neutral boson signature ” [4] [5] , que fue republicado el 26 de enero de 2016 por una de las revistas de física más prestigiosas de la American Physical Society, Physical Review Letters [6] [1] [7] [5] .

El artículo asumía la existencia de una nueva partícula subatómica hipotética  : un bosón isoescalar neutro ligero con una masa de 16,70 ±0,35( stat. [8] )±0,5( stat . [9] ) MeV [1] , que es 32700 veces la masa de un electrón [5] , 56 veces menos que la masa de un protón [10] y 7500 veces menos que la masa del bosón de Higgs [11] . En honor a la masa redondeada de la partícula de 17 MeV, la partícula se denominó X 17 [12] [11] [13] .

Krasnahorkai y sus colegas decidieron volver a investigar las anomalías durante la creación de pares internos de transiciones M1 isovector (17,6 MeV) e isoescalares (18,15 MeV) en berilio-8 metaestable [14] , observado en 1996-2013 por diferentes grupos de físicos [1] . El estudio de las transiciones isovectoriales no mostró anomalías notables, sin embargo, en el curso del estudio de las transiciones isoescalares (18,15 MeV), se establecieron anomalías [1] .

En el curso de un experimento en 2013-2015 para buscar fotones oscuros  , un análogo de los fotones para la materia oscura , los científicos húngaros en el acelerador Van de Graaff ubicado en Debrecen bombardearon con protones un objetivo de un isótopo estable de litio-7 (como parte de superóxido de litio (LiO 2 ) y sustancias Li F 2 depositadas sobre un sustrato de aluminio ), como resultado de lo cual, tras la captura radiativa de un protón por un núcleo de litio-7 , se formaron núcleos inestables de berilio-8 , rápidamente (con una vida media de 6.7 (17) ⋅ 10 −17 s) pasando al estado fundamental (desintegración en dos átomos de helio-4 ) con emisión de fotones [1] [7] [15] [16] . Sin embargo, por cada mil de estos fotones emitidos, puede haber un caso de transformación de un cuántico gamma dentro del núcleo de berilio en un par de partículas de materia y antimateria  : un electrón y un positrón , que pueden dispersarse en diferentes ángulos . 16] .

El Modelo Estándar predice que a medida que aumenta el ángulo de expansión entre un electrón y un positrón, la probabilidad de formación de pares de tales partículas debería disminuir [1] [17] [18] [15] [16] .Sin embargo, contrariamente a la teoría, el experimento reveló un aumento anómalo en el número de pares electrón-positrón en un ángulo de expansión de unos 140°, lo que puede indicar la posible participación en la desintegración de una partícula previamente desconocida que obedece a las leyes de la física más allá . el modelo estándar [1] [7] [5] [16] .

Para verificar si la anomalía medida podría deberse a la influencia de la distribución angular anisotrópica de los rayos gamma con multipolaridad mixta en la correlación angular de los pares electrón-positrón, los científicos húngaros realizaron mediciones a varias energías de bombardeo , cuyos resultados se presentaron. en el artículo sobre el gráfico (gráficos “a”, “b”, “c”, “d”) [1] .

El bombardeo se realizó con energías de protones (E p ) de 1,20 MeV ("a"), 1,10 MeV ("b"), 1,04 MeV ("c"), 0,80 MeV ("d"), así como 1,15 MeV [1] .Se observaron anomalías en un ángulo de expansión de electrones y positrones en la región de 140° (en orden descendente del grado de anomalía) a energías de protones: 1,10 MeV (“b”) ( max ), 1,04 MeV (“c”) y 1,15 MeV (la anomalía en 1,15 MeV no se muestra en el gráfico , pero se comenta en el artículo; era aproximadamente el 60 % de la anomalía observada en 1,04 MeV ("c")) [1] , mientras que como mínimo (0,80 MeV ("d")) y las energías de protones más altas (1,20 MeV ("a")) utilizadas en el experimento, tales anomalías no se observaron , lo que luego fue comentado críticamente por separado por varios científicos [16 ] [10] .

Una anomalía en E p = 1,10 MeV (máx.) y un ángulo de expansión de unos 140° tiene una significación estadística de 6,8 σ (sigma) [1] (donde normalmente se considera que una significación estadística de más de 5 σ (sigma ) es suficiente para anunciar un descubrimiento ) [19] ), que corresponde a una probabilidad de fluctuación de fondo de 5,6 10 -12 (o, de lo contrario, la probabilidad de que una anomalía sea aleatoria es una probabilidad entre 200 mil millones [20] ).

En el resumen del artículo, se señaló que tal anomalía podría estar asociada tanto con la posible presencia de una partícula desconocida como con los efectos de interferencia de una reacción nuclear . Al mismo tiempo, los científicos húngaros señalaron además que dado que la forma de la desviación medida, que depende de la energía del haz de protones, difiere de la forma de la asimetría directa o inversa , es poco probable que la anomalía sea causada por la influencia de cualquier interferencia. Además, la anomalía no puede explicarse por un fondo de rayos gamma (porque no se observa ningún efecto en condiciones sin resonancia, cuando el fondo de rayos gamma es casi el mismo) ni tener un origen de física nuclear . El error sistemático de ±0,5 MeV en la masa de la partícula se explica por la inestabilidad de la posición del haz sobre el objetivo y las incertidumbres en la calibración y posicionamiento de los detectores [1] .

Posteriormente, Zhang y Miller investigaron la posibilidad de explicar la anomalía en el contexto de la física nuclear, para lo cual investigaron el factor de forma de transición nuclear como posible causa de la anomalía, y encontraron que el factor de forma requerido no era realista para el núcleo 8 Be . [2] .

Según los científicos, la partícula X17 puede ser un posible candidato para el papel de un bosón ligero U (1) de calibre d , o un mediador de luz en un escenario con materia oscura aislada  - WIMP , o un vector o vector axial oscuro Z ( Z d ) -partícula, propuesta para explicar el momento magnético anómalo del muón ( a μ ) (teniendo en cuenta el hecho de que los fotones oscuros en una serie de experimentos fueron excluidos en gran medida de las posibles causas del momento magnético anómalo del muón ) [1] [7] [20] , donde los experimentos para buscar la partícula X17 pueden dar la clave para entender la física más allá del Modelo Estándar [11] .

Grupo de investigación de la USI

En 2016, Jonathan Feng y coautores de la Universidad de California en Irvine (UCI) realizaron un estudio a gran escala comparando los resultados del grupo Krasnahorkai con una docena de trabajos obtenidos durante el último siglo en esta área [7] [21] [5] . Se encontró que, a pesar de que los nuevos resultados no contradicen estudios previos, hay algo en ellos que no se ha visto antes, que no se puede explicar en el marco del Modelo Estándar.

El grupo de Feng sugirió que la nueva partícula no se explica por la teoría existente, ya que con una masa tan pequeña y una descripción en el marco de las leyes conocidas, se habría descubierto antes [5] . Si la partícula está descrita por las nuevas leyes de la física , entonces, en este caso, la partícula X17 puede no estar relacionada con fotones oscuros , sino con la partícula portadora de la quinta fuerza hipotética (quinta interacción), una más (junto con electromagnética , fuerte , débil y gravitacional ) interacción fundamental [ 7] [5] .

Feng y otros han desarrollado un modelo que incluye una partícula “protofóbica” , no excluida por datos previos, el bosón X [7] [21] [5] [16] . Una "protofóbica", es decir, una partícula "temerosa" que evita los protones, interactúa extremadamente raramente con los protones (su interacción con un protón debe suprimirse), pero puede interactuar con los neutrones ("neutrófilo"). La interacción de la “quinta fuerza”, con la participación de tal partícula protofóbica y neutrofílica , debería manifestarse a una distancia de 12 femtómetros (fm) (12 tamaños de protones) [7] [5] [20] . También en el modelo, la partícula interactúa con electrones, quarks arriba y abajo [ 7] [20] .

Experimento NA64

experimento NA64 lanzado en marzo de 2016 en el CERN (con la participación del CERN, el Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Rusa de Ciencias ( Moscú ), el Instituto de Física de Alta Energía ( Protvino ), el P. N. Lebedev Instituto de Física de la Academia Rusa de Ciencias (Moscú), el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear ( Dubna ), el Instituto D.V. Skobeltsyn de Física Nuclear de la Universidad Estatal de Moscú (Moscú), un grupo de científicos de Tomsk , la Universidad de Bonn (Alemania) ), la Universidad de Patras (Grecia), la Universidad Técnica Federico Santa María (Chile), Instituto de Física de Partículas (Suiza) [22] ), además de resolver problemas de búsqueda de fotones oscuros , otras partículas de materia oscura , también se realiza la búsqueda de la partícula X17 [3] .

En un experimento, los físicos del Proton Super Synchrotron (SPS) del CERN disparan haces de decenas de miles de millones de electrones a un objetivo fijo. En el caso de la existencia de la partícula X17, esto llevaría a que las interacciones entre los electrones emitidos y los núcleos de átomos en el blanco darían lugar en ocasiones a esta partícula, que luego se convertiría en un par electrón-positrón. . La colaboración NA64 aún no ha encontrado ningún indicio de que tales eventos hayan tenido lugar, pero los datos obtenidos permiten excluir algunos de los posibles valores de la fuerza de interacción entre la partícula X17 y el electrón. Actualmente está previsto actualizar el detector para la siguiente etapa de la búsqueda, que se espera que sea aún más difícil que las anteriores [3] [23] .

Según Sergei Gninenko, destacado investigador del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Rusa de Ciencias y uno de los representantes del proyecto NA64, las anomalías identificadas por los científicos húngaros pueden deberse a tres razones principales: algunas características del experimento en sí. , algunos efectos de la física nuclear, o algo fundamentalmente nuevo, como la nueva partícula (X17). Para probar la hipótesis de que la anomalía es causada precisamente por una nueva partícula, se requiere tanto un análisis teórico detallado de la compatibilidad de los resultados para el berilio-8 y el helio-4 como una confirmación experimental independiente [3] [23] .

Además, la detección de la partícula X17 también es posible en el marco del experimento LHCb . Según el físico teórico del MIT Jesse Thaler, el experimento LHCb debería llegar a una conclusión final sobre la existencia o inexistencia de la partícula X17 para 2023 [3] .

Experimento con helio-4

El 23 de octubre de 2019, Krasnahorkai y sus colegas de ATOMKI publicaron en el sitio web arXiv.org una preimpresión de un artículo titulado "Nueva evidencia que confirma la existencia de una partícula hipotética X17" sobre un nuevo experimento [2] realizado con otros materiales de partida: Científicos húngaros bombardearon átomos pesados ​​con protones de isótopo de hidrógeno de tritio , absorbidos en una capa de titanio depositada sobre un disco de molibdeno de 0,4 mm de espesor. Tras capturar un protón, el tritio se transformaba en helio-4 , cuyos núcleos excitados emitían (junto con los fotones) pares de electrones y positrones que nacían.

El bombardeo fue realizado por protones con energía E p =900 keV para poblar el segundo estado excitado (0 − ) en 4 He ubicado en E x =21.01 MeV (con un ancho Γ=0.84 MeV). Esta energía de bombardeo está por debajo del umbral de reacción ( p , n ) (E thr =1,018 MeV) y excita el núcleo de 4 He sólo hasta E x =20,49 MeV (que está por debajo del centro del ancho del segundo estado excitado 0 − ) [2] .

En un ángulo de expansión de electrones y positrones de 115°, se registraron anomalías, casi similares a las del experimento con berilio-8 en un ángulo de expansión de 140° [2] [24] [25] .

La masa de la supuesta partícula se estimó en 16,84 ±0,16( stat. [8] )±0,20( stat . [9] ) MeV [2] [26] (que es 0,17 MeV más que la masa de la partícula en el experimento con berilio-8, pero, al mismo tiempo, no va más allá de su error estadístico de 0,35 MeV ).

Los investigadores afirman que el experimento se confirma con una alta significación estadística de 7,2 σ (sigma) [2] , es decir, la probabilidad de que las anomalías sean aleatorias es de una en 10 billones [27] , lo que refuerza el argumento a favor de la existencia de la partícula X17 en comparación con el experimento con berilio-8 .

Como se señaló en el artículo [2] , el experimento NA64 en el CERN excluyó parte del espacio de parámetros permitido para la partícula X17, pero dejó sin explorar la prometedora región 4.2 10 -4 ≤ e ≤ 1.4 10 -3 .

Este hecho fue cubierto por el periodismo científico, donde se prestó atención principal a las consecuencias que se producirán ante la presencia de la partícula X17 y la correspondiente quinta fuerza en la búsqueda de la materia oscura.

Crítica

Don Lincoln , investigador estadounidense en el campo de la física de partículas elementales , miembro del Fermilab , que participó en el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 , en 2016 (es decir, antes de la publicación de los resultados de científicos húngaros en 2019 sobre la observación de una anomalía en la desintegración de los átomos de helio-4 ) comentó la declaración del grupo Krasnahorkai sobre su posible descubrimiento en 2015 de un nuevo bosón con una masa de 17 MeV , donde señaló que las partículas que aparecen a energías del orden de 17 MeV -que es relativamente bajo según las estimaciones modernas- están bastante bien estudiados, y sería inesperado descubrir una nueva partícula previamente desconocida en este rango. Lincoln duda de que la comunidad científica acepte la existencia de una quinta fuerza con un alcance de 12 fm y una partícula evitando los protones [5] .

Según Lincoln, los miembros del grupo USI tienen una buena reputación y son expertos profesionales en su campo. Además, el grupo húngaro está publicando el trabajo en la revista de física autorizada y revisada por pares Physical Review Letters . Sin embargo, el grupo húngaro tiene dos artículos publicados anteriormente en los que se han observado anomalías similares, incluidas posibles partículas con masas de 12 y 13 MeV, las cuales han sido refutadas por experimentos posteriores. Al mismo tiempo, los miembros del grupo húngaro no pudieron explicar la razón de los errores en los trabajos refutados. Además, este grupo rara vez publicó datos que no contuvieran anomalías [5] .

Los físicos estadounidenses Natalie Walchover y Oscar Navigla-Kunsik [28] ocupan una posición similar .

El físico teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Jesse Thaler, también duda de la existencia de la partícula X17: “Si me ofrecieran expandir el Modelo Estándar de la forma que yo quisiera, definitivamente esto no sería lo primero que contribuiría”. [20] [11 ] .

Según Reuven Essig de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook : "Las propiedades de este bosón son ligeramente inesperadas y es poco probable que se confirme" [11] .

Andrey Rostovtsev, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas , un destacado empleado del Instituto A. A. Kharkevich para Problemas de Transmisión de Información de la Academia Rusa de Ciencias, se mostró escéptico sobre la afirmación de los científicos húngaros, llamando la atención sobre el hecho de que aparece una anomalía en el experimento. solo a ciertas energías de bombardeo : “El gráfico muestra que las desviaciones se observan solo a dos valores de la energía de los protones incidentes [29] , pero este no es el caso para otros índices de energía. Cambiamos ligeramente la energía de los protones, y el "splash" desapareció. Esto suele ocurrir cuando surgen ciertas dificultades experimentales. Después de todo, el berilio también es berilio en África, y no importa con qué energía se haya obtenido” [16] .

El científico señaló que el grupo de Krasnahorkai no trata de explicar esta circunstancia, y también indicó que el tiempo de vida de la supuesta partícula se estima en 10 -14 segundos, que es bastante, y es extraño que no se haya encontrado en un gran número de experimentos similares. La situación le recordó la historia del experimento OPERA , donde se anunció el descubrimiento de neutrinos volando a velocidad superlumínica , donde al final resultó que la causa fue un cable mal conectado [16] .

El 26 de mayo de 2016, el físico ruso y divulgador de la ciencia Igor Ivanov [30] comentó sobre la situación , diciendo que regularmente ocurren varias desviaciones en la física nuclear, ya que es problemático calcular adecuadamente el espectro de excitación de los núcleos, incluso los más ligeros. y por tanto, en este caso, con un alto grado de probabilidad, hay un efecto de la física nuclear mal descrito [31] .

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Krasnahorkai - 26 de enero de 2016 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Krasnahorkai - 23 de octubre de 2019 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 CERN - 27 de noviembre de 2019 .
  4. ↑ Krasnahorkai - 7 de abril de 2015 .
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Lincoln - 3 de septiembre de 2016 .
  6. ↑ Con un ligero cambio en el título original del artículo a "Observación de producción de pares internos anómalos en 8 Be: posible indicación de un bosón neutro ligero".
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ciencia y vida - 30 de mayo de 2016 .
  8. ↑ 1 2 Error estadístico .
  9. ↑ 1 2 Error sistemático .
  10. ↑ 1 2 Korzhimanov - 26 de mayo de 2016 .
  11. ↑ 1 2 3 4 5 Aleksenko, 2019 .
  12. ↑ Glyantsev, 2019 .
  13. ↑ Makarov, 2019 .
  14. ↑ Ivanov - 26 de diciembre de 2017 .
  15. ↑ 1 2 Siegel - 13 de mayo de 2017 .
  16. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Gazeta.Ru - 26 de mayo de 2016 .
  17. ↑ Rosa - 1 de septiembre de 1949 .
  18. ↑ Schlüter - Septiembre de 1981 .
  19. ↑ ¿Qué es "sigma"? .
  20. ↑ 1 2 3 4 5 Korolev - 26 de mayo de 2016 .
  21. ↑ 1 2 Feng - 11 de agosto de 2016 .
  22. ↑ El gato de Schrödinger - julio-agosto de 2017 .
  23. ↑ 1 2 RIA Nauka, 2019 .
  24. ↑ Lenta.ru, 2019 .
  25. ↑ Alímov, 2019 .
  26. ↑ Vasiliev, 2019 .
  27. ↑ TASS Nauka, 2019 .
  28. ↑ RIA Nauka - 9 de junio de 2016 .
  29. ↑ En general, el artículo de Krasnahorkaya habla de anomalías en tres valores de energía de protones.
  30. ↑ El autor publicó originalmente el comentario de forma privada en Facebook .
  31. ↑ RIA Nauka - 26 de mayo de 2016 .

Literatura

2015 2016 2017 2018
  • D. Banerjee, V. E. Burtsev, A. G. Chumakov, D. Cooke, P. Crivelli, E. Depero, A. V. Dermenev, S. V. Donskov, R. R. Dusaev, T. Enik, N. Charitonidis, A. Feshchenko, V. N. Frolov, A. Gardikiotis, S. G. Gerassimov, S. N. Gninenko, M. Hösgen, M. Jeckel, A. E. Karneyeu, G. Kekelidze, B. Ketzer, D. V. Kirpichnikov, M. M. Kirsanov, I. V. Konorov, S. G. Kovalenko, V. A. Kramarenko, L. V. Kravchuk, N. V. Krasnikov, S. V. Kuleshov, V. E. Lyubovitskij, V. Lysan, V. A. Matveev, Yu. V. Mikhailov, D. V. Peshekhonov, V. A. Polyakov, B. Radics, R. Rojas, A. Rubbia, V. D. Samoylenko, V. O. Tikhomirov, D. A. Tlisov, A. N. Toropin, A. Yu. Trifonov, B. I. Vasilishin, G. Vasquez Arenas, P. V. Volkov, V. Volkov, P. Ulloa. Búsqueda de un hipotético bosón de calibre de 16,7 MeV y fotones oscuros en el experimento NA64 en el CERN  // Physical Review Letters  : Journal. - American Physical Society , 2018. - 8 de junio ( Nº 120 (231802) ). -doi : 10.1103 / PhysRevLett.120.231802 . — arXiv : 1803.07748 .
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