¿Es la "quinta fuerza protofóbica" observada en las desintegraciones nucleares una nueva fuerza fundamental?

No diría que ninguno de los documentos vinculados "reclama el descubrimiento de una quinta fuerza". Lo que tenemos aquí es una sutil observación experimental con una interpretación muy interesante que aún no se puede descartar, además de un camino a seguir para buscar datos de próximos experimentos.

La cadena de reacción de interés en la PRL por Krasznahorkay et al. es

$$\begin{align} \rm^7Li + p &\to{} \rm^8Be^* \\ \rm^8Be^* &\to{} \rm^8Be + \gamma \to{} ^8Be + e^+e^- \\ \rm^8Be &\to 2\alpha \end{align}$$ Los rayos gamma en el segundo paso son inusualmente energéticos, alrededor de 18 MeV. Existe una pequeña posibilidad de que el rayo gamma emitido en la relajación del núcleo excitado$\rm^8Be^*$interactuará con el campo eléctrico alrededor de ese núcleo para producir un par electrón-positrón . Es abrumadoramente probable que estos pares de leptones dejen el núcleo viajando casi paralelos entre sí, de modo que el ángulo entre sus momentos es casi cero. Para el$\rm e^+e^-$par ser emitido espalda con espalda, esta interacción entre el fotón de relajación y el campo eléctrico nuclear debería tener lugar en el marco de reposo del núcleo. La razón de pares separados por 40° a pares separados por 180° es aproximadamente un factor de veinte.

La sutileza es que, para un rango estrecho de energías de protones, quizás haya un 30% extra$\rm e^+e^-$pares separados por unos 140°. No es imposible que haya algún efecto de aceptación en los detectores, ya que la geometría del detector tiene una característica a 150°. Sin embargo, uno esperaría ingenuamente el mismo tipo de problemas de aceptación en los otros ángulos especiales del detector, a 60°, 90° y 120°; esos están ausentes. Además de argumentar en contra de una anomalía del detector geométrico, el exceso está presente en algunas energías de protones pero está ausente en energías más bajas y más altas. Sin embargo, un modelo donde la segunda línea en la cadena de reacción es

$$\begin{align} \rm^8Be^* &\to{} \rm^8Be + \mathit X \to{} ^8Be + e^+e^- \end{align}$$ tiene un mas probable$\rm e^+e^-$ángulo que depende de la masa del$X$. Los autores encuentran un mejor ajuste a sus datos una pequeña contribución de$X$decae por$m_X \approx 17\rm\,MeV$. Esto también está en el rango correcto para la producción resonante del$X$, lo que explicaría por qué las correlaciones angulares adicionales solo están presentes en algunas energías. La relación de ramificación de$X$la producción es bastante pequeña.

Krasznahorkay et al. también cite observaciones previas de este fenómeno, distribuciones angulares anómalas en la producción de pares internos de desintegraciones gamma nucleares de alta energía, de otro grupo en la era 1996--2001, por lo que el fenómeno no es un rayo del azul. Los resúmenes de estos artículos más antiguos sugieren una masa bastante diferente para la partícula putativa; No he leído para ver cuál es la diferencia.

Un artículo de seguimiento de Feng et al. ( ahora también en PRL ) compara esta supuesta partícula con partículas conocidas, restringidas y no restringidas. Desde la producción del$X$parece proceder de un estado excitado en$\rm^8Be$pero no otro, sabemos algo sobre sus números cuánticos. No puede ser un pión, ya que es demasiado ligero por un factor de diez. Y es muy poco probable que sea un hadrón compuesto de quarks, ya que el pión es el bosón de Goldstone "sin masa" de QCD y la masa del pión establece el piso del espectro de masas de la interacción fuerte. Feng et al. calcular los rangos de acoplamientos de los$X$a electrones, neutrinos, quarks arriba y abajo y nucleones que permitirían la$X$para contribuir a$\rm^8Be$pero lo han mantenido oculto de una lista de alrededor de una docena de experimentos anteriores. Feng et al. luego tome esos rangos de acoplamiento y afirme, en su figura final, que el$X$debería estar dentro de los rangos de sensibilidad de al menos cinco próximos experimentos (parece que la búsqueda de fotones pesados ​​no lo detectará).

Ambos son artículos sólidamente razonados que sobrevivieron a la revisión por pares y han aparecido en la revista principal de la Sociedad Estadounidense de Física. Hay evidencia repetible (posiblemente ya repetida) de un resultado anómalo en un sistema que es consistente con una nueva partícula portadora de fuerza, y una guía teórica sobre cómo se vería esta partícula en otros experimentos completamente diferentes que aún no se han completado. Si tuviéramos que encontrar una nueva interacción fundamental, así es exactamente como se verían las primeras etapas y vale la pena seguir adelante. Teniendo en cuenta todos esos comentarios positivos, le doy un 90% de posibilidades de que se evapore bajo un mayor escrutinio; nada se parece tanto a un efecto nuevo como un error.

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DavePhD me pide que vuelva a evaluar esta respuesta a la luz de una nueva preimpresión (octubre de 2019) del grupo Krasznahorkay que informa evidencia de la$X$en una reacción diferente de núcleo pequeño,

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

Esta es una opción interesante porque la emisión de fotones de excitados$\rm^4He$estados está mayormente prohibido . (Ese enlace incluye este$\rm^4He$diagrama de nivel .) Los autores explican que

[e]ste bombardeo de energía [$E_\text{proton} = 900\rm\,keV$] está por debajo del umbral de la$\rm(p,n)$reacción ($E_\text{threshold}=1.018\rm\,keV$) y excita el$\rm^4He$a$E_x=20.49\rm\,MeV$, que está debajo del centroide del ancho$0^-$estado.

En otras palabras, la emisión de fotones prohibidos es la única manera de que este núcleo se relaje. La emisión de fotones está prohibida no solo por las razones de isospin fuerte respondidas en la pregunta vinculada anterior, sino por la razón más fundamental de que las transiciones de espín y paridad$0^-\to0^+$están prohibidos por las reglas de selección de fotones: el fotón debe llevarse una unidad de momento angular. Sin embargo, una partícula pseudoescalar con$J^\pi = 0^-$podría emitirse en esta transición sin violar el momento angular o las reglas de selección de paridad.

Los autores informan fuerte evidencia de un exceso de señal en$\rm e^+e^-$producción de pares a las energías y ángulos consistentes con un bosón pseudoescalar con masa$m_xc^2 \approx 17\rm\,MeV$. Y eso$\approx$es mío, no de ellos. Los autores informan dos ajustes, cuyas diferencias no me quedan claras de inmediato, con centroides de masa de$16.84\pm0.16\rm\,MeV$y$17.00\pm0.13\rm\,MeV$.

Este nuevo resultado aún no ha sido revisado por pares, y la revisión por pares no es lo que estoy haciendo en esta respuesta: tengo algunas preguntas técnicas sobre el documento que tomaría algunos días de reflexión para responder. Pero el nuevo resultado es consistente con el artículo anterior sobre el berilio. Me emocionaría mucho más si viniera de un grupo diferente, o si hubiera una discusión sobre una técnica de análisis ciego . En ausencia de ellos, no estoy preparado para llamar a esto un descubrimiento. Sin embargo, la página final de la preimpresión es una lista de unos cinco experimentos independientes que también serán sensibles a esta partícula. Aparentemente la comunidad está tratando este fenómeno con la seriedad que se merece.

La respuesta de Rob es más o menos completa para la etapa de datos que conocemos. Se necesitan nuevos experimentos para ver si existe una partícula de 17 MeV en e+e-, ya que los datos existentes en el grupo de datos de partículas se detienen en aproximadamente 100 MeV.

Quiero abordar la pregunta del título:

¿Es la "quinta fuerza protofóbica" observada en las desintegraciones nucleares una nueva fuerza fundamental?

la diferencia entre la fuerza "fundamental" y la fuerza en general en las interacciones de partículas.

La fuerza en el marco donde reina la mecánica cuántica todavía se puede definir como dp/dt. Cualquier dispersión de dos partículas transferirá impulso o será elástica. Se intercambia una fuerza entre el estado inicial y las partículas medidas en el estado final si hay una transferencia de cantidad de movimiento. Las secciones transversales se calculan utilizando la representación icónica de los diagramas de Feynman. Estas son integrales en una serie de expansión perturbativa, cada orden depende de las constantes de acoplamiento. , en importancia decreciente.

El modelo estándar de física de partículas , que describe con éxito la enorme plétora de datos recopilados durante los últimos cincuenta años, depende de tres fuerzas fundamentales. Se llaman fundamentales porque los diagramas de orden más bajo, que son los que más contribuyen a las secciones transversales, dependen de los correspondientes acoplamientos de fuerzas electromagnéticas, débiles o fuertes. Estos diagramas de orden más bajo tienen como partícula intercambiada un fotón, un Z/W, un gluón correspondiente a la caracterización de fuerza de la interacción. Estos se identifican con los bosones de norma en el SU(3)xSU(2)xU(1) del modelo estándar.

Existe la hipótesis de que la fuerza gravitatoria, una vez cuantizada, tendrá al gravitón como partícula intercambiada, pero esto aún es un proyecto de investigación.

El modelo SM se basa en una plétora de datos y es dudoso que pueda verse alterado por la introducción de una "quinta fuerza" cuando solo un diagrama de feynman de intercambio con esta posible X siendo una partícula quark antiquark compleja podría explicar la interacción dado un formato apropiado. Después de todo, todas las partículas se pueden intercambiar y transferir dp/dt sin introducir ninguna fuerza fundamental. Mira mi respuesta aquí .