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一个引起争论的问题： 原子核衰变率 是 否与 太阳耀斑 和 地球 - 太阳距离 相关？

第九届粒子物理、核物理和宇宙学交叉学科前沿问题研讨会. 一个引起争论的问题： 原子核衰变率 是 否与 太阳耀斑 和 地球 - 太阳距离 相关？. 白 希 祥 中国原子能科学研究院. 历史背景.

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一个引起争论的问题： 原子核衰变率 是 否与 太阳耀斑 和 地球 - 太阳距离 相关？

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  1. 第九届粒子物理、核物理和宇宙学交叉学科前沿问题研讨会第九届粒子物理、核物理和宇宙学交叉学科前沿问题研讨会 一个引起争论的问题：原子核衰变率是 否与太阳耀斑和地球-太阳距离相关？ 白 希 祥 中国原子能科学研究院

  2. 历史背景 自1896年Becquerel发现放射性以来，核物理学家一直在探讨原子核衰变率是否会受到温度、压力、化学状态、浓度和磁场等外在条件的影响。1930年Rutherford，Chadwick和Ellis等曾断言在所有条件下衰变率都保持不变(除K-俘获或强电磁场环境中b-衰变外，因为这两种情况略显复杂一些)，但后来的研究表明他们的论断过于绝对化。若干裸核和高剥离态原子的b衰变实验结果就是最有力的反面证据之一。例如,163Dy中性原子是稳定的，但其裸核163Dy66+的半衰期变成47±5年；187Re中性原子的半衰期为43.5×109年，其裸核187Re75+的缩短为32.9±2.0年。关于各种外部条件对原子核衰变影响的有无和程度至今仍是一个引起争论的问题。无论如何，不稳定核素的寿命不应看作是绝对恒定不变的，因为衰变率并非完全决定于原子核的内秉特性。

  3. 问题的提出和论据 2009年，美国Purdue大学Jenkins和Fischbach等人接连发表了几篇原子核衰变率与太阳事件和地球-太阳距离相关的文章，宣称：一、在2006年12月太阳耀斑期间Purdue大学实验室测量到54Mn衰变率的突然变化；二、从81年8月至86年7月期间BNL测量的32Si(b-)衰变率数据及83年3月至00年3月期间德国PTB实验室测量的226Ra(a)衰变率数据的分析中看出与时间明显关联的周期性涨落现象。不仅 32Si(b-)和226Ra(a)两种衰变随时间的涨落相互同步，而且都与地球至太阳距离的变化相关。他们揣测已发表的半衰期测量值的离散可部分归因于测量期间太阳活动的变化或基本物理常数的季节性变化。 [1] J. H. Jenkins, E. Fischbach, Perturbation of nuclear decay rates during the solar flare of 2006 December 13, Astropart. Phys. 31 (6) (2009) 407–411 [2] J. H. Jenkins et al., Evidence of correlations between nuclear decay rates and Earth-Sun distance, Astropart. Phys. 32 (1) (2009) 42–46. [3] E. Fischbach et al., Time-dependent nuclear decay parameters: New evidence for new forces?, Space Sci. Rev. 145 (3) (2009) 285–335. [4] J. H. Jenkins et al., Analysis of environmental influences in nuclear half-life measurement exhibiting time-dependent decay rates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010 (in Press)

  4. 一. J. H. Jenkins, E. Fischbach, Perturbation of nuclear decay rates during the solar flare of 2006 December 13, Astropart. Phys. 31 (6) (2009) 407–411. 太阳耀斑简介 ★在现代宇宙学可达到的视界内大约有1012个星系。仅人类存身的银河系就有～1.2-2×1011颗恒星，太阳只是其中一颗较小的仍处于氢燃烧阶段的主序星，其中的核燃烧将以氦闪光结束,对星系演化和核素合成的影响和贡献甚微。但在太阳系中它却占有支配地位(集中了太阳系99%以上的质量)。由于它是离地球最近，能够用原子物理、核/粒子物理、等离子体物理和磁流体力学的知识进行仔细研究的唯一恒星，在天体物理中占有特殊的地位。 ★耀斑是太阳大气中一种最剧烈的爆发性事件，涉及诸多令人惊奇的物理过程。它发生在太阳光球外面的色球层中。在色球层的某些区域，短时间内有突然增亮的现象，称为耀斑，又叫太阳色球爆发。耀斑-般只存在几分钟、十几分钟，极个别的能持续几个小时。在短短的一二十分钟内，耀斑释放出的能量，相当于地球上十万至百万次强烈火山爆发能量的总和。最壮观的耀斑，其爆发过程释放的总能量高达到1032尔格量级(但比超新星爆发释放的能量低几十个量级!)。一般认为耀斑的产生源于磁场能量的快速释放，大的耀斑一年只发生几次，其中最大的两次峰值间隔约为11年。小的耀斑则大约释放1027尔格数量级的能量，刚好达到现代仪器的探测极限;小耀斑的持续时间一般只有几秒钟；它们出现的周期也大约是11年。

  5. 2006.12.2-2007.1.2期间Purdue大学实验室利用1mCi的54Mn紧贴在NaI闪烁计数器上、具有良好铅屏蔽的装置，在19.5℃的恒温条件下连续测量了54Mn K-俘获过程54Mn+e-→54Cr+ne形成的54Cr退激产生的834.8 keVg-射线。2006年12.12-12.17期间在与地球相对位置不变的多个军用同步环境卫星(GOES)上均观测到了与两次太阳耀斑相伴随的X-射线和带电粒子通量的尖峰, Purdue大学实验室同时探测到54Mn衰变率的显著下降。这些观测支持核衰变率可能随太阳耀斑或地球-太阳距离改变的猜想。

  6. 美国东部时间2006年12月12日21时37分来自太阳耀斑的中微子流轨迹。中微子在靠近太平洋中Butaritari 附近进入地球，在印第安那West Lafayette探测到的计数率呈现最低值之前在气球中穿行了～ 9270 km。

  7. 2006年12月Purdue大学实验室测量的54Mn衰变计数率(CR)数据(深蓝点)和地球同步轨道卫星上探测器记录的太阳X-射线数据(红点)。对于54Mn的数据，每一点表示随后4小时测到的g-射线计数(～2.5×107)的自然对数; 对于地球同步轨道卫星上记录的太阳X-射线数据，每点表示对应时间间隔内测到的X-射线累计通量，单位为[W/m2]。绿色实线是54Mn数据的拟合结果。可以看出，54Mn数据向下偏离拟合绿线与12月12日和12月17日出现的X-射线尖峰在时间上吻合。12月22日的偏离与同日发生的强太阳风暴(不产生X-射线峰)在时间上吻合。 时间

  8. 2008年12月54Mn衰变数据/ ln(计数/小时) 时间 时间 有些X-射线峰未伴随54Mn计数率的明显下降，可能与产生这些事件的具体机制有关。例如，12月5日的X-射线暴对应的54Mn计数率的下降较小， 也许因为该射线暴不是朝向地球的。反之，有的54Mn计数率的下降未对应X-射线计数率峰值的出现，可能是由于该X-射线来自另类太阳事件或太阳反面的发生的事件(可通过探测中微子观测到)。例如，12月22日的54Mn计数率的下降，与一个强太阳风暴在时间上吻合，它没有X-射线峰。当获得更多数据时，我们可能发现中微子振荡和其它时间相关的现象对了解太阳耀斑起重要作用。在2006年12月的太阳活动增强期间开展的实验研究，对所用的仪器设备提供了一个有效的检验。自那以后，太阳一直反常的安静，没有探测到亮度同等或更大的耀斑。右图显示2008年12月的数据，没有明显的涨落，拟合的半衰期与标准值308.8天一致，表明上述观测结果的系统偏差很小。

  9. 二. J. H. Jenkins et al., Evidence of correlations between nuclear decay rates and Earth-Sun distance, Astropart. Phys. 32 (1) (2009) 42–46. (1)归一化的BNL实验室32Si/36Cl比值数据和地球-太阳距离随日期的变化 时间 32Si(b-,T1/2≈172年),36Cl(b- 98.1%,e1.9%; T1/2≈3.01×105年)。为了归一,32Si每点的原始数据都乘上了exp(+lt)，36Cl半衰期很长, 未修正。原始数据取自D. E. Alburger et al., Earth Planet.Sci.Lett.78,168-176(1986)。1/R2(红线)数据得自美国海军天文台。

  10. (2)归一化的PTB实验室226Ra(a衰变T1/2≈1600年)计数率(2)归一化的PTB实验室226Ra(a衰变T1/2≈1600年)计数率 数据(紫点)与地球-太阳距离(红线)随日期的变化 时间

  11. BNL32Si/36Cl(绿线)和PTB 226Ra(蓝线)数据五点平均值与地球-太阳距离(红线)随日期的变化 时间

  12. 物理机制的揣想 揣测1.太阳产生的一种标量场导致地球上的电磁精细结构常数值发生变化。a-, b衰变都对电磁精细结构常数值灵敏，因而衰败率发生季节性变化。 揣测2.另一可能性是地球上的不稳定原子核与太阳内部发射出来的中微子流发生一种新的相互作用，中微子通量随1/R2和季节变化使半衰期发生改变。太阳中微子通量随季节变化的现象已被日本超神冈探测器观测到。

  13. 三.14C测定树木年代刻度曲线的扭摆-一个可能相关的旁证：A. J. Sanders, Implications for 14C Dating of the Jenkins- Fischbach Effect and Possible Fluctuation of the Solar Fusion Rate. arXiv:0808.3986 V2[astro-ph] Jenkins-Fischbach等的研究报告出现后，田纳西大学的 Sanders 探讨了14C测年技术与他们工作之间可能的关联。美国科学家W. F. Libby于1946年创立了14C测年技术，可用来研判7万年以内含碳标本的年龄,并因这项贡献获得了1960年度诺贝尔化学奖。他认为14C是快中子轰击空气中的氮原子核通过14N(n,p)14C反应产生的，而快中子是从太阳射来的高能粒子流进入大气层遇到空气产生的。他还认为生物圈内所有现存物质中14C与12C 的成分之比都处于与大气环境近似平衡的状态，因为14C与氧结合生成CO2，会参与自然界碳的交换循环运动。植物通过光合和呼吸作用与大气中的CO2进行交换，其体内就有14C存积下来；动物呼吸空气、食用植物，体内也有了14C。同时，大气与海面接触，CO2溶解在海中，海水、海生物以及海底沉积物中都含有 14C。由于碳在自界的交换循环很快，所以，整个生物圈的14C水平基本一致。一旦动物死亡、植物腐烂，就会带着14C进入表层土壤。由于所有已死亡生物群体中的14C成分仍在按放射性衰变规律不断减少，得不到补充，使得生物遗骸中14C和12C的比例发生变化。任何已死亡的植物或动物材料的“14C年龄”可通过简单地求解从大气环境中的14C份额（假定保持不变）下降到死亡生物样品中的实验值所需要的衰变时间得出。

  14. 使树木的年轮与14C的表观年龄发生联系的14C(b-,T1/2～5730年) 刻度曲线含有许多显然不是实验误差或其它随机效应的扭摆。 14C年龄 Cal BP：按树木年轮计算的到现在的真实年龄

  15. 刻度曲线上有许扭摆，这给年代测定带来很大的困扰。中微子可能是产生14C的另一种中性粒子。以大约200年周期性出现的较大的扭摆可能是地球上太阳中微子通量突然增大的一个证据。由于太阳中微子来自聚变反应，一个合理的推测是：太阳核芯区的的聚变反应是脉冲式运作的(准周期大约200年)。人们观测到的14C刻度曲线可看作是反映太阳心脏跳动时间史的“中微子心电图”。中微子通量的短暂突升会产生两种效应: (1)大气中14C的份额突增，它将导致该期间内活着的生物样品“年轻化”； (2)该期间内已死亡生物体中的14C相对于突增的大气环境中的14C呈现过量的衰变损耗，导致它们的表观年龄随着其“14C年龄”而反常地“年老化” 。这与Jenkins- Fischbach效应可能有某种关联。

  16. 否定Jenkins-Fischbach效应的论据 1. E. B. Norman et al., Evidence against correlations between nuclear decay rates and Earth–Sun distance. Astropart. Phys. 31(2009)135-137 Jenkins等人的研究报告发表后不久，Berkeley & Livermore实验室Norman等人就根据以前发表的 22Na, 44Ti，108Agm，121Snm, 133Ba 和 241Am的衰变数据寻找a, b-, b+和EC的衰变率与地球至太阳距离之间可能存在的关联。他们得出的结论是否定的。 22Na/1274 keV与44Ti/1157 keV g-射线峰面积(对两种同位素的衰变作了修正)归一化比值随日期的变化。纵轴1.00处的水平线表示所有数据点的平均值。震荡曲线表示实验数据获取期1/R2(R表示地球-太阳距离)随日期的变化，横轴0点为1994年1月14日。 日期

  17. 2. P.S. Cooper, Searching for modifications to the exponential radioactive decay law with the Cassini spacecraft. Astropart. Phys. 31(2009)267-269 费米国家加速器实验室的Cooper分析了美国太空总署1997年发射的卡西尼号太空飞船上238Pu a-放射性同位素(T1/2=87.7天）热电发生器功率输出的 据，检验Jenkins-Fischbach揣想。没有发现偏离指数衰变规律。 绿色空心圆—经过衰变修的， 黑色实点—经过效率和衰变修的， 绿色线—多项式拟合， 红线—按Jenkins-Fischbach揣想预期的变化 卡西尼太空飞船238Pu热电 发生器归一化的功率输出 从发射算起的时间/年

  18. 3. T. M. Semkow et al., Oscillations in radioactive exponential decay. Phys. Lett. B 675(2009)415-419 认为Jenkins-Fischbach等声称的32Si，226Ra衰变率随地球-太阳距离的变化可能是由于所用探测器(电离室、正比计数器)灵敏度受环境温度影响引起的。 但J. H. Jenkins et al.,在Analysis of environmental influences in nuclear half-life measurement exhibiting time-dependent decay rates.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010 (in Press)一文中通过对BNL和PTB实验室所用探测器的分析，认为探测器灵敏度随温度等环境条件的变化太小，不足以解释他们分析出的效应。

  19. 小结 一、这里介绍的 Jenkins-Fischbach效应是获得美国DOE部分资助的研究课题,不像是江湖术士的简单胡说.但关于它的真伪存在尖锐的争论。令人困惑的是，持肯定和否定观点的人采用的是不同的具体证据。 二、这一效应即使真地存在，也是相当小的。实验测量耗时费力，达到需要的精度并非易事。况且，太阳耀斑影响的研究难以单靠地面实验室完成。 三、争论的结果有可能是既肯定不了，又否定不了，最后不了了之。

  20. 谢谢诸位！

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