X17 (частица)

7 апреля 2015 года группа венгерских физиков из Института ядерных исследований Венгерской академии наук (ATOMKI) под руководством профессора Аттилы Краснахоркаи (Attila Krasznahorkay) опубликовала на сайте препринтов arXiv.org статью под названием «Наблюдение аномального образования внутренней пары в ⁸Be: возможная сигнатура лёгкого нейтрального бозона»^[4][5], которую 26 января 2016 года переопубликовал один из самых престижных физических журналов Американского физического общества Physical Review Letters^[6][1][7][5].

В статье предполагалось существование новой гипотетической субатомной частицы — лёгкого нейтрального изоскалярного бозона массой 16,70±0,35(стат.^[8])±0,5(сист.^[9]) МэВ^[1], что в 32700 раза больше массы электрона^[5], в 56 раз меньше массы протона^[10], и в 7500 раз меньше массы бозона Хиггса^[11]. В честь округлённой массы частицы в 17 МэВ частица была названа Х17^[12][11][13].

Краснахоркаи с коллегами решили повторно исследовать аномалии при создании внутренних пар изовекторных (17,6 МэВ) и изоскалярных (18,15 МэВ) M1-переходов в метастабильном^[14] бериллии-8, наблюдавшиеся в 1996—2013 годах разными группами физиков^[1]. Исследование изовекторных переходов не показало каких-либо примечательных аномалий, однако в ходе изучения изоскалярных (18,15 МэВ) переходов аномалии были установлены^[1].

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 супероксида лития (LiO₂) 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)⋅10⁻¹⁷ с) переходящие в основное состояние (распад на два атома гелия-4) с излучением фотона^{[1][7][15][16]}. 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^[16].

Стандартная модель предсказывает, что при увеличении угла разлёта между электроном и позитроном вероятность образования пар таких частиц должна уменьшаться^{[1][17][18][15][16]}. 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^{[1][7][5][16]}.

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»)^[1].

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^[1]. 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»))^[1], 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^[16][10].

Аномалия при E_p=1,10 МэВ (max) и угле разлёта около 140° имеет статистическую значимость в 6,8 σ (сигма)^[1] (где обычно считается, что для объявления об открытии достаточно статистической значимости более 5 σ (сигма)^[19]), что соответствует вероятности флуктуации фона в 5,6${\displaystyle \cdot }$10^-12 (или, иначе, вероятность случайности аномалии составляет один шанс на 200 миллиардов^[20]).

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 неопределённостями в калибровке и позиционировании детекторов^[1].

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 ⁸Be^[2].

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)^[1][7][20], где эксперименты по поиску частицы Х17 могут дать ключ к пониманию физики вне пределов Стандартной модели^[11].

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 — X-бозон^{[7][21][5][16]}. «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)^[7][5][20]. Также в модели частица взаимодействует с электронами, верхним и нижним кварком^[7][20].

В рамках стартовавшего в марте 2016 года в ЦЕРНе эксперимента 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 (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].

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 E_p=900 кэВ для заселения второго возбуждённого состояния (0⁻) в ⁴He, 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 ⁴He лишь до E_x=20,49 МэВ (что ниже центра ширины второго возбуждённого 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 }$10^-4≤${\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.

Дон Линкольн, 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^[5].

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 12 и 13 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^[5].

Подобной позиции придерживаются американские физики Натали Уолчовер и Оскар Навилья-Кунсик^[28].

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»^[20][11].

По словам Рувена Эссига из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук: «Свойства этого бозона слегка неожиданны, и маловероятно, что это подтвердится»^[11].

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 графике видно, что отклонения наблюдаются только при двух значениях энергии падающих протонов^[29], 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»^[16].

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^[16].

Ситуацию 26 мая 2016 года прокомментировал российский физик и популяризатор науки Игорь Иванов^[30], 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^[31].