Частица X17 — гипотетическая элементарная частица (бозон), предложенная в 2015 году группой венгерских физиков под руководством Аттилы Краснахоркаи 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 обнаружилось аномальное увеличение 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 NA64 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 Be: возможная сигнатура лёгкого нейтрального бозона», которую 26 января 2016 года переопубликовал один из самых престижных физических журналов Американского физического общества Physical Review LettersС небольшим изменением первоначального названия статьи на «Наблюдение аномального образования внутренней пары в Be: возможное указание на легкий нейтральный бозон»..
В статье предполагалось существование новой гипотетической субатомной частицы — лёгкого нейтрального бозона массой 16,70±0,35(стат.)±0,5(сист.) МэВ, что в 32,7 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 Х17.
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 LiF2, 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) 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 графике (графики «a», «b», «c», «d»).
Бомбардировка была проведена с энергиями протонов (Ep) 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 графике, 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 Ep=1,10 МэВ (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 5,610 (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 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(Zd)-частицы, предлагавшейся для объяснения аномального магнитного момента мюона (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 взаимодействие 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 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), (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.