Является ли «протофобная пятая сила», наблюдаемая при распаде ядер, новой фундаментальной силой?

Я бы не сказал, что любая из связанных статей «заявляет об открытии пятой силы». Здесь мы имеем тонкое экспериментальное наблюдение с очень интересной интерпретацией, которую пока нельзя исключить, а также путь вперед для поиска данных из предстоящих экспериментов.

Интересующая цепочка реакций в ПРЛ Krasznahorkay et al. является

$$\begin{align} \rm^7Li + p &\to{} \rm^8Be^* \\ \rm^8Be^* &\to{} \rm^8Be + \gamma \to{} ^8Be + e^+e^- \\ \rm^8Be &\to 2\alpha \end{align}$$ Гамма-лучи на втором этапе необычайно энергичны, около 18 МэВ. Существует небольшая вероятность того, что гамма-лучи, испускаемые при релаксации возбужденного ядра$\rm^8Be^*$будет взаимодействовать с электрическим полем вокруг этого ядра, создавая пару электрон-позитрон . Эти пары лептонов, скорее всего, покинут ядро, движущееся почти параллельно друг другу, так что угол между их импульсами почти равен нулю. Для$\rm e^+e^-$Если пара испускается встречно, то это взаимодействие между релаксационным фотоном и ядерным электрическим полем должно происходить в системе покоя ядра. Отношение пар, разнесенных на 40°, к парам, разнесенным на 180°, примерно в двадцать раз.

Тонкость в том, что для узкого диапазона энергий протонов может быть 30% лишнего.$\rm e^+e^-$пары, разделенные примерно на 140°. Не исключено, что это какой-то эффект приемки в детекторах, так как геометрия детектора имеет особенность на 150°. Однако можно было бы наивно ожидать таких же проблем с приемом при других специальных углах детектора, при 60°, 90° и 120°; таковые отсутствуют. Еще одним аргументом против аномалии геометрического детектора является то, что избыток присутствует при некоторых энергиях протонов, но отсутствует при более низких и более высоких энергиях. Однако модель, в которой вторая линия в цепи реакции

$$\begin{align} \rm^8Be^* &\to{} \rm^8Be + \mathit X \to{} ^8Be + e^+e^- \end{align}$$ имеет наиболее вероятное$\rm e^+e^-$угол, который зависит от массы$X$. Авторы считают, что к их данным лучше всего подходит небольшой вклад$X$распадается для$m_X \approx 17\rm\,MeV$. Это также в правильном диапазоне для резонансного воспроизведения звука.$X$, что объясняет, почему дополнительные угловые корреляции присутствуют только при некоторых энергиях. Коэффициент ветвления для$X$производство совсем небольшое.

Краснахоркай и др. также приведите предыдущие наблюдения этого явления, аномальные угловые распределения во внутренних парах от высокоэнергетических ядерных гамма-распадов, из другой группы в эпоху 1996--2001, так что явление не гром среди ясного неба. Аннотация к этим более старым статьям предполагает совершенно другую массу предполагаемой частицы; Я не читал, чтобы увидеть, в чем разница.

В последующем документе Feng et al. ( теперь также в PRL ) сравнивает эту предполагаемую частицу с известными, ограниченными и неограниченными частицами. С момента производства$X$происходит из одного возбужденного состояния в$\rm^8Be$но не другое, мы знаем кое-что о его квантовых числах. Это не может быть пион, так как он слишком светлый в десять раз. И маловероятно, что это адрон, состоящий из кварков, поскольку пион — это «безмассовый» бозон Голдстоуна в КХД , а масса пиона задает нижний предел спектра масс сильного взаимодействия. Фэн и др. рассчитать диапазоны сцепления$X$к электронам, нейтрино, верхним и нижним кваркам и нуклонам, которые позволили бы$X$внести свой вклад в$\rm^8Be$распада, но скрыли его из списка примерно дюжины предыдущих экспериментов. Фэн и др. затем возьмите эти диапазоны связи и заявите в их окончательной цифре, что$X$должно быть в пределах диапазона чувствительности по крайней мере пяти предстоящих экспериментов (похоже, поиск тяжелых фотонов его пропустит).

Обе эти статьи являются хорошо аргументированными статьями, которые выдержали рецензирование и были опубликованы в главном журнале Американского физического общества. Имеются повторяемые (возможно, уже повторявшиеся) свидетельства аномального результата в одной системе, согласующиеся с новой несущей силу частицей, и теоретические указания на то, как эта частица будет выглядеть в других, совершенно других экспериментах, которые еще не завершены. Если бы мы собирались найти новое фундаментальное взаимодействие, именно так выглядели бы первые этапы, и это абсолютно стоило бы продолжать. Имея в виду все эти положительные комментарии, я даю ему 90% шанс, что он испарится при дальнейшем изучении; ничто так не похоже на новый эффект, как ошибка.

---

DavePhD просит меня переоценить этот ответ в свете нового (октябрь 2019 г.) препринта группы Krasznahorkay, в котором сообщается о доказательствах$X$в другой мелкоядерной реакции,

$$\rm ^3He + p \to {}^4He + \gamma$$

Это интересный выбор, потому что испускание фотонов возбужденными$\rm^4He$штаты в основном запрещены . (Эта ссылка включает в себя это$\rm^4He$диаграмма уровня .) Авторы поясняют, что

[t] его бомбардирующая энергия [$E_\text{proton} = 900\rm\,keV$] ниже порога$\rm(p,n)$реакция ($E_\text{threshold}=1.018\rm\,keV$) и возбуждает$\rm^4He$к$E_x=20.49\rm\,MeV$, который находится ниже центроида широкой$0^-$государство.

Другими словами, испускание запрещенных фотонов является единственным способом релаксации этого ядра. Излучение фотонов запрещено не только по причинам сильного изоспина, на которые дан ответ в связанном вопросе выше, но и по более фундаментальной причине, заключающейся в том, что переходы от спина и четности$0^-\to0^+$запрещены правилами отбора фотонов --- фотон должен унести одну единицу углового момента. Однако псевдоскалярная частица с$J^\pi = 0^-$может испускаться при этом переходе без нарушения углового момента или правил отбора по четности.

Авторы сообщают о веских доказательствах избытка сигнала в$\rm e^+e^-$рождение пар при энергиях и углах, соответствующих псевдоскалярному бозону с массой$m_xc^2 \approx 17\rm\,MeV$. И это$\approx$мой, а не их. Авторы сообщают о двух совпадениях, различия которых мне не сразу ясны, с центроидами масс$16.84\pm0.16\rm\,MeV$а также$17.00\pm0.13\rm\,MeV$.

Этот новый результат еще не прошел рецензирование, и рецензирование - это не то, чем я занимаюсь в этом ответе: у меня есть некоторые технические вопросы по статье, на ответ на которые потребуется несколько дней размышлений. Но новый результат согласуется с предыдущей работой по бериллию. Я был бы гораздо более взволнован этим, если бы он исходил от другой группы или если бы обсуждалась техника слепого анализа . В отсутствие таковых я не готов назвать это открытием. Однако последняя страница препринта представляет собой список примерно из пяти независимых экспериментов, которые также будут чувствительны к этой частице. Судя по всему, сообщество относится к этому явлению со всей серьезностью, которой оно заслуживает.

Ответ Роба более или менее полон для той стадии данных, о которой мы знаем. Необходимы новые эксперименты, чтобы увидеть, существует ли частица с энергией 17 МэВ в e + e-, поскольку существующие данные в группе данных о частицах останавливаются примерно на 100 МэВ.

Я хочу ответить на вопрос заголовка:

Является ли «протофобная пятая сила», наблюдаемая при распаде ядер, новой фундаментальной силой?

отличие «фундаментальной» силы от силы вообще во взаимодействиях частиц.

Сила в рамках, где правит квантовая механика, все еще может быть определена как dp/dt. Любое рассеяние двух частиц будет либо передавать импульс, либо быть упругим. Сила обменивается между измеряемыми частицами в начальном и конечном состоянии, если есть передача импульса. Сечения рассчитываются с использованием пиктографического представления диаграмм Фейнмана. Это интегралы в пертурбативном ряду разложения, каждый порядок которого зависит от констант связи. , по убывающей значимости.

Стандартная модель физики элементарных частиц , которая успешно описывает огромное количество данных, собранных за последние пятьдесят или около того лет, зависит от трех фундаментальных сил. Они называются фундаментальными, потому что диаграммы низшего порядка, вносящие наибольший вклад в сечения, зависят от соответствующих взаимодействий электромагнитных сил, слабых или сильных. На этих диаграммах низшего порядка обмениваемой частицей является фотон, Z/W , глюон, соответствующий силовой характеристике взаимодействия. Они отождествляются с калибровочными бозонами в SU(3)xSU(2)xU(1) стандартной модели.

Существует гипотеза, что гравитационная сила, однажды проквантованная, будет иметь гравитон в качестве обмениваемой частицы, но это все еще исследовательский проект.

Модель СМ основана на множестве данных, и сомнительно, что она может быть нарушена введением «пятой силы», когда просто обменная фейнмановская диаграмма с этим возможным X, являющимся сложной кварковой антикварковой частицей, может объяснить взаимодействие при заданном соответствующий формат. В конце концов, все частицы могут обмениваться и передавать dp/dt без введения каких-либо фундаментальных сил. Смотрите мой ответ здесь .