Ist die bei nuklearen Zerfällen beobachtete „protophobe fünfte Kraft“ eine neue fundamentale Kraft?

Ich würde nicht sagen, dass eines der verlinkten Papiere „die Entdeckung einer fünften Kraft behauptet“. Was wir hier haben, ist eine subtile experimentelle Beobachtung mit einer sehr interessanten Interpretation, die noch nicht ausgeschlossen werden kann, plus einen Weg nach vorne, um in Daten aus bevorstehenden Experimenten zu suchen.

Die interessierende Reaktionskette in der PRL von Krasznahorkay et al. ist

$$\begin{align} \rm^7Li + p &\to{} \rm^8Be^* \\ \rm^8Be^* &\to{} \rm^8Be + \gamma \to{} ^8Be + e^+e^- \\ \rm^8Be &\to 2\alpha \end{align}$$ Die Gammastrahlen im zweiten Schritt sind ungewöhnlich energiereich, etwa 18 MeV. Es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass der Gammastrahl bei der Entspannung des angeregten Kerns emittiert wird$\rm^8Be^*$wird mit dem elektrischen Feld um diesen Kern herum interagieren, um ein Elektron-Positron-Paar zu erzeugen . Diese Leptonenpaare verlassen mit überwältigender Wahrscheinlichkeit fast parallel zueinander den Kern, so dass der Winkel zwischen ihren Impulsen nahezu null ist. Für die$\rm e^+e^-$Um ein Paar Rücken an Rücken emittieren zu können, müsste diese Wechselwirkung zwischen dem Relaxationsphoton und dem elektrischen Feld des Kerns im Ruhesystem des Kerns stattfinden. Das Verhältnis von Paaren, die um 40° getrennt sind, zu Paaren, die um 180° getrennt sind, ist ungefähr ein Faktor von zwanzig.

Die Subtilität besteht darin, dass es für einen engen Bereich von Protonenenergien vielleicht 30% mehr gibt$\rm e^+e^-$Paare um etwa 140° getrennt. Es ist nicht unmöglich, dass dies ein gewisser Akzeptanzeffekt in den Detektoren ist, da die Detektorgeometrie ein Merkmal bei 150° aufweist. Man würde jedoch naiverweise die gleichen Arten von Akzeptanzproblemen bei den anderen speziellen Winkeln im Detektor erwarten, bei 60°, 90° und 120°; die fehlen. Ein weiteres Argument gegen eine geometrische Detektoranomalie ist, dass der Überschuss bei einigen Protonenenergien vorhanden ist, aber bei niedrigeren und höheren Energien fehlt. Allerdings ein Modell wo die zweite Linie in der Reaktionskette ist

$$\begin{align} \rm^8Be^* &\to{} \rm^8Be + \mathit X \to{} ^8Be + e^+e^- \end{align}$$ hat eine höchstwahrscheinlich$\rm e^+e^-$Winkel, der von der Masse abhängt$X$. Die Autoren finden passend zu ihren Daten einen kleinen Beitrag aus$X$zerfällt für$m_X \approx 17\rm\,MeV$. Dies ist auch im richtigen Bereich für eine resonante Produktion des$X$, was erklären würde, warum die zusätzlichen Winkelkorrelationen nur bei einigen Energien vorhanden sind. Das Verzweigungsverhältnis für$X$Die Produktion ist ziemlich klein.

Krasznahorkay et al. zitieren Sie auch frühere Beobachtungen dieses Phänomens, anomale Winkelverteilungen bei der Produktion interner Paare aus hochenergetischen nuklearen Gammazerfällen, von einer anderen Gruppe in der Zeit von 1996 bis 2001, so dass das Phänomen kein Blitz aus heiterem Himmel ist. Die Abstracts für diese älteren Arbeiten deuten auf eine ganz andere Masse für das mutmaßliche Teilchen hin; Ich habe nicht gelesen, um zu sehen, was der Unterschied ist.

Eine Folgearbeit von Feng et al. ( jetzt auch in PRL ) vergleicht dieses vermeintliche Partikel mit bekannten, eingeschränkten und unbeschränkten Partikeln. Seit der Produktion des$X$scheint von einem angeregten Zustand auszugehen$\rm^8Be$aber nicht ein anderer, wir wissen etwas über seine Quantenzahlen. Ein Pion kann es nicht sein, da es um den Faktor zehn zu leicht ist. Und es ist höchst unwahrscheinlich, dass es sich um ein Hadron handelt, das aus Quarks besteht, da das Pion das „masselose“ Goldstone-Boson der QCD ist und die Pion-Masse den Boden des Massenspektrums der starken Wechselwirkung festlegt. Feng et al. Berechnen Sie die Reichweiten der Kopplungen der$X$zu Elektronen, Neutrinos, Up- und Down-Quarks und Nukleonen, die dies ermöglichen würden$X$beitragen zu$\rm^8Be$zerfallen, haben es aber vor einer Liste von etwa einem Dutzend früherer Experimente verborgen gehalten. Feng et al. Nehmen Sie dann diese Kopplungsbereiche und behaupten Sie in ihrer endgültigen Zahl, dass die$X$sollte innerhalb der Empfindlichkeitsbereiche von mindestens fünf bevorstehenden Experimenten liegen (sieht so aus, als würde die Suche nach schweren Photonen dies verfehlen).

Beides sind solide begründete Artikel, die das Peer-Review überstanden haben und in der Flaggschiff-Zeitschrift der American Physical Society erschienen sind. Es gibt wiederholbare (möglicherweise bereits wiederholte) Beweise für ein anomales Ergebnis in einem System, das mit einem neuen krafttragenden Teilchen übereinstimmt, und theoretische Hinweise darauf, wie dieses Teilchen in anderen, völlig anderen Experimenten aussehen würde, die noch nicht abgeschlossen sind. Wenn wir eine neue fundamentale Wechselwirkung finden würden, würden die frühen Stadien genau so aussehen, und es lohnt sich absolut, sie weiter zu verfolgen. In Anbetracht all dieser positiven Kommentare gebe ich ihm eine Chance von 90 %, dass er sich bei weiterer Prüfung verflüchtigt; Nichts gleicht einem neuen Effekt so sehr wie ein Fehler.

---

DavePhD bittet mich, diese Antwort im Lichte eines neuen (Oktober 2019) Vorabdrucks der Krasznahorkay-Gruppe , der Beweise für die meldet , neu zu bewerten$X$in einer anderen Kleinkernreaktion,

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

Dies ist eine interessante Wahl, da die Photonenemission angeregt wird$\rm^4He$Staaten ist meistens verboten . (Dieser Link enthält dies$\rm^4He$Ebenendiagramm .) Das erklären die Autoren

[t]seine bombardierende Energie [$E_\text{proton} = 900\rm\,keV$] liegt unter der Schwelle der$\rm(p,n)$Reaktion ($E_\text{threshold}=1.018\rm\,keV$) und begeistert die$\rm^4He$zu$E_x=20.49\rm\,MeV$, die unterhalb des Schwerpunkts der Weite liegt$0^-$Zustand.

Mit anderen Worten, die verbotene Photonenemission ist die einzige Möglichkeit für diesen Kern, sich zu entspannen. Die Photonenemission ist nicht nur aus Gründen des starken Isospins verboten, die in der verknüpften Frage oben beantwortet wurden, sondern aus dem grundlegenderen Grund, der von Spin und Parität übergeht$0^-\to0^+$sind durch Photonenauswahlregeln verboten - das Photon sollte eine Einheit Drehimpuls mitnehmen. Allerdings ist ein pseudoskalares Teilchen mit$J^\pi = 0^-$könnten bei diesem Übergang emittiert werden, ohne Drehimpuls- oder Paritätsauswahlregeln zu verletzen.

Die Autoren berichten von starken Hinweisen auf einen Signalüberschuss in$\rm e^+e^-$Paarbildung bei Energien und Winkeln, die mit einem pseudoskalaren Boson mit Masse übereinstimmen$m_xc^2 \approx 17\rm\,MeV$. Und das$\approx$gehört mir, nicht ihnen. Die Autoren berichten von zwei Anfällen, deren Unterschiede mir nicht sofort klar sind, mit Massenschwerpunkten von$16.84\pm0.16\rm\,MeV$und$17.00\pm0.13\rm\,MeV$.

Dieses neue Ergebnis wurde noch nicht einem Peer-Review unterzogen, und Peer-Review ist nicht das, was ich in dieser Antwort mache: Ich habe einige technische Fragen zu dem Papier, für deren Beantwortung ein paar Tage Nachdenken erforderlich wären. Aber das neue Ergebnis stimmt mit dem vorherigen Artikel über Beryllium überein. Ich würde mich viel mehr darüber freuen, wenn es von einer anderen Gruppe käme oder wenn es eine Diskussion über eine Blindanalysetechnik geben würde . Ohne diese bin ich nicht bereit, dies als Entdeckung zu bezeichnen. Die letzte Seite des Preprints ist jedoch eine Liste von etwa fünf unabhängigen Experimenten, die ebenfalls für dieses Teilchen empfindlich sein werden. Anscheinend behandelt die Community dieses Phänomen mit der Ernsthaftigkeit, die es verdient.

Robs Antwort ist mehr oder weniger vollständig für die Datenphase, die uns bekannt ist. Neue Experimente sind erforderlich, um zu sehen, ob ein 17-MeV-Teilchen in e+e- existiert, da die vorhandenen Daten in der Teilchendatengruppe bei etwa 100 MeV aufhören.

Ich möchte auf die Titelfrage eingehen:

Ist die bei nuklearen Zerfällen beobachtete „protophobe fünfte Kraft“ eine neue fundamentale Kraft?

der Unterschied zwischen "fundamentaler" Kraft und Kraft im Allgemeinen bei Teilchenwechselwirkungen.

Kraft im Rahmen der Quantenmechanik kann immer noch als dp/dt definiert werden. Jede Zwei-Teilchen-Streuung überträgt entweder Impuls oder ist elastisch. Zwischen Anfangs- und Endzustandsmessteilchen wird bei Impulsübertragung eine Kraft ausgetauscht. Die Querschnitte werden anhand der symbolischen Darstellung von Feynman-Diagrammen berechnet. Dies sind Integrale in einer Störungsentwicklungsreihe, wobei jede Ordnung von Kopplungskonstanten abhängt. , in abnehmender Bedeutung.

Das Standardmodell der Teilchenphysik , das die enorme Datenfülle der letzten rund fünfzig Jahre erfolgreich beschreibt, beruht auf drei fundamentalen Kräften. Sie werden als grundlegend bezeichnet, weil die Diagramme niedrigster Ordnung, die am meisten zu den Querschnitten beitragen, von den entsprechenden Kopplungen elektromagnetischer Kräfte, schwach oder stark, abhängen. Diese Diagramme niedrigster Ordnung haben als ausgetauschtes Teilchen ein Photon, ein Z/W, ein Gluon, was der Kraftcharakterisierung der Wechselwirkung entspricht. Diese werden mit den Eichbosonen in der SU(3)xSU(2)xU(1) des Standardmodells identifiziert.

Es gibt eine Hypothese, dass die einmal quantifizierte Gravitationskraft das Graviton als ausgetauschtes Teilchen haben wird, aber dies ist immer noch ein Forschungsprojekt.

Das SM-Modell basiert auf einer Fülle von Daten, und es ist zweifelhaft, ob es durch die Einführung einer "fünften Kraft" gestört werden kann, wenn nur ein Austausch-Feynman-Diagramm mit diesem möglichen X als komplexes Quark-Antiquark-Teilchen die gegebene Wechselwirkung erklären könnte entsprechendes Format. Schließlich können alle Teilchen ausgetauscht werden und ein dp/dt übertragen, ohne dass fundamentale Kräfte eingebracht werden. Siehe meine Antwort hier .