原子核衰變率是否與太陽事件或地球課件

一個引起爭論的問題：原子核衰變率是否與太陽耀斑和地球-太陽距離相關(guān)？第九屆粒子物理、核物理和宇宙學(xué)交叉學(xué)科前沿問題研討會

白希祥中國原子能科學(xué)研究院自1896年Becquerel發(fā)現(xiàn)放射性以來，核物理學(xué)家一直在探討原子核衰變率是否會受到溫度、壓力、化學(xué)狀態(tài)、濃度和磁場等外在條件的影響。1930年Rutherford，Chadwick和Ellis等曾斷言在所有條件下衰變率都保持不變(除K-俘獲或強(qiáng)電磁場環(huán)境中b-衰變外，因?yàn)檫@兩種情況略顯復(fù)雜一些)，但后來的研究表明他們的論斷過于絕對化。若干裸核和高剝離態(tài)原子的b衰變實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是最有力的反面證據(jù)之一。例如,163Dy中性原子是穩(wěn)定的，但其裸核163Dy66+的半衰期變成47±5年；187Re中性原子的半衰期為43.5×109年，其裸核187Re75+的縮短為32.9±2.0年。關(guān)于各種外部條件對原子核衰變影響的有無和程度至今仍是一個引起爭論的問題。無論如何，不穩(wěn)定核素的壽命不應(yīng)看作是絕對恒定不變的，因?yàn)樗プ兟什⒎峭耆珱Q定于原子核的內(nèi)秉特性。歷史背景2009年，美國Purdue大學(xué)Jenkins和Fischbach等人接連發(fā)表了幾篇原子核衰變率與太陽事件和地球-太陽距離相關(guān)的文章，宣稱：一、在2006年12月太陽耀斑期間Purdue大學(xué)實(shí)驗(yàn)室測量到54Mn衰變率的突然變化；二、從81年8月至86年7月期間BNL測量的32Si(b-)衰變率數(shù)據(jù)及83年3月至00年3月期間德國PTB實(shí)驗(yàn)室測量的226Ra(a)衰變率數(shù)據(jù)的分析中看出與時間明顯關(guān)聯(lián)的周期性漲落現(xiàn)象。不僅32Si(b-)

和226Ra(a)兩種衰變隨時間的漲落相互同步，而且都與地球至太陽距離的變化相關(guān)。他們揣測已發(fā)表的半衰期測量值的離散可部分歸因于測量期間太陽活動的變化或基本物理常數(shù)的季節(jié)性變化。

[1]J.H.Jenkins,E.Fischbach,Perturbationofnucleardecayratesduringthesolarflareof2006December13,Astropart.Phys.31(6)(2009)407–411[2]J.H.Jenkinsetal.,EvidenceofcorrelationsbetweennucleardecayratesandEarth-Sundistance,Astropart.Phys.32(1)(2009)42–46.[3]E.Fischbachetal.,Time-dependentnucleardecayparameters:Newevidencefornewforces?,SpaceSci.Rev.145(3)(2009)285–335.[4]J.H.Jenkinsetal.,Analysisofenvironmentalinfluencesinnuclearhalf-lifemeasurementexhibitingtime-dependentdecayrates.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,2010(inPress)問題的提出和論據(jù)一.J.H.Jenkins,E.Fischbach,Perturbationofnucleardecayratesduringthesolarflareof2006December13,Astropart.Phys.31(6)(2009)407–411.太陽耀斑簡介★

在現(xiàn)代宇宙學(xué)可達(dá)到的視界內(nèi)大約有1012個星系。僅人類存身的銀河系就有～1.2-2×1011顆恒星，太陽只是其中一顆較小的仍處于氫燃燒階段的主序星，其中的核燃燒將以氦閃光結(jié)束,

對星系演化和核素合成的影響和貢獻(xiàn)甚微。但在太陽系中它卻占有支配地位(集中了太陽系99%以上的質(zhì)量)。由于它是離地球最近，能夠用原子物理、核/粒子物理、等離子體物理和磁流體力學(xué)的知識進(jìn)行仔細(xì)研究的唯一恒星，在天體物理中占有特殊的地位?！?/p>

耀斑是太陽大氣中一種最劇烈的爆發(fā)性事件，涉及諸多令人驚奇的物理過程。它發(fā)生在太陽光球外面的色球?qū)又?。在色球?qū)拥哪承﹨^(qū)域，短時間內(nèi)有突然增亮的現(xiàn)象，稱為耀斑，又叫太陽色球爆發(fā)。耀斑-般只存在幾分鐘、十幾分鐘，極個別的能持續(xù)幾個小時。在短短的一二十分鐘內(nèi)，耀斑釋放出的能量，相當(dāng)于地球上十萬至百萬次強(qiáng)烈火山爆發(fā)能量的總和。最壯觀的耀斑，其爆發(fā)過程釋放的總能量高達(dá)到1032爾格量級(但比超新星爆發(fā)釋放的能量低幾十個量級!)。一般認(rèn)為耀斑的產(chǎn)生源于磁場能量的快速釋放，大的耀斑一年只發(fā)生幾次，其中最大的兩次峰值間隔約為11年。小的耀斑則大約釋放1027爾格數(shù)量級的能量，剛好達(dá)到現(xiàn)代儀器的探測極限;小耀斑的持續(xù)時間一般只有幾秒鐘；它們出現(xiàn)的周期也大約是11年。期間Purdue大學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用1mCi的54Mn緊貼在NaI閃爍計(jì)數(shù)器上、具有良好鉛屏蔽的裝置，在19.5℃的恒溫條件下連續(xù)測量了54MnK-俘獲過程54Mn+e-→54Cr+ne形成的54Cr退激產(chǎn)生的834.8keVg-射線。2006年期間在與地球相對位置不變的多個軍用同步環(huán)境衛(wèi)星(GOES)上均觀測到了與兩次太陽耀斑相伴隨的X-射線和帶電粒子通量的尖峰,Purdue大學(xué)實(shí)驗(yàn)室同時探測到54Mn衰變率的顯著下降。這些觀測支持核衰變率可能隨太陽耀斑或地球-太陽距離改變的猜想。美國東部時間

2006年12月12日21時37分來自太陽耀斑的中微子流軌跡。中微子在靠近太平洋中Butaritari附近進(jìn)入地球，在印第安那WestLafayette

探測到的計(jì)數(shù)率呈現(xiàn)最低值之前在氣球中穿行了～9270km。時間2006年12月Purdue大學(xué)實(shí)驗(yàn)室測量的54Mn衰變計(jì)數(shù)率(CR)數(shù)據(jù)(深藍(lán)點(diǎn))和地球同步軌道衛(wèi)星上探測器記錄的太陽X-射線數(shù)據(jù)(紅點(diǎn))。對于54Mn的數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)表示隨后4小時測到的

g-射線計(jì)數(shù)(～2.5×107)的自然對數(shù);對于地球同步軌道衛(wèi)星上記錄的太陽X-射線數(shù)據(jù)，每點(diǎn)表示對應(yīng)時間間隔內(nèi)測到的X-射線累計(jì)通量，單位為[W/m2]。綠色實(shí)線是54Mn數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

54Mn數(shù)據(jù)向下偏離擬合綠線與12月12日和12月17日出現(xiàn)的X-射線尖峰在時間上吻合。12月22日的偏離與同日發(fā)生的強(qiáng)太陽風(fēng)暴(不產(chǎn)生X-射線峰)在時間上吻合。時間有些X-射線峰未伴隨54Mn計(jì)數(shù)率的明顯下降，可能與產(chǎn)生這些事件的具體機(jī)制有關(guān)。例如，12月5日的X-射線暴對應(yīng)的54Mn計(jì)數(shù)率的下降較小，也許因?yàn)樵撋渚€暴不是朝向地球的。反之，有的54Mn計(jì)數(shù)率的下降未對應(yīng)X-射線計(jì)數(shù)率峰值的出現(xiàn)，可能是由于該X-射線來自另類太陽事件或太陽反面的發(fā)生的事件(可通過探測中微子觀測到)。例如，12月22日的54Mn計(jì)數(shù)率的下降，與一個強(qiáng)太陽風(fēng)暴在時間上吻合，它沒有X-射線峰。當(dāng)獲得更多數(shù)據(jù)時，我們可能發(fā)現(xiàn)中微子振蕩和其它時間相關(guān)的現(xiàn)象對了解太陽耀斑起重要作用。在2006年12月的太陽活動增強(qiáng)期間開展的實(shí)驗(yàn)研究，對所用的儀器設(shè)備提供了一個有效的檢驗(yàn)。自那以后，太陽一直反常的安靜，沒有探測到亮度同等或更大的耀斑。右圖顯示2008年12月的數(shù)據(jù)，沒有明顯的漲落，擬合的半衰期與標(biāo)準(zhǔn)值308.8天一致，表明上述觀測結(jié)果的系統(tǒng)偏差很小。2008年12月54Mn衰變數(shù)據(jù)/ln(計(jì)數(shù)/小時)時間二.J.H.Jenkinsetal.,EvidenceofcorrelationsbetweennucleardecayratesandEarth-Sundistance,Astropart.Phys.32(1)(2009)42–46.(1)歸一化的BNL實(shí)驗(yàn)室32Si/36Cl比值數(shù)據(jù)和地球-太陽距離隨日期的變化時間32Si(b-,T1/2≈172

年),36Cl(b-98.1%,e1.9%;T1/2≈3.01×105

年)。為了歸一,

32Si每點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)都乘上了exp(+lt)，36Cl半衰期很長,未修正。原始數(shù)據(jù)取自D.E.Alburgeretal.,EarthPlanet.Sci.Lett.78,168-176(1986)。1/R2(紅線)數(shù)據(jù)得自美國海軍天文臺。(2)歸一化的PTB實(shí)驗(yàn)室226Ra(a衰變T1/2≈1600年)計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)(紫點(diǎn))與地球-太陽距離(紅線)隨日期的變化時間BNL32Si/36Cl(綠線)和PTB226Ra(藍(lán)線)數(shù)據(jù)五點(diǎn)平均值與地球-太陽距離(紅線)隨日期的變化時間揣測1.太陽產(chǎn)生的一種標(biāo)量場導(dǎo)致地球上的電磁精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值發(fā)生變化。a-,b衰變都對電磁精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值靈敏，因而衰敗率發(fā)生季節(jié)性變化。揣測2.另一可能性是地球上的不穩(wěn)定原子核與太陽內(nèi)部發(fā)射出來的中微子流發(fā)生一種新的相互作用，中微子通量隨1/R2和季節(jié)變化使半衰期發(fā)生改變。太陽中微子通量隨季節(jié)變化的現(xiàn)象已被日本超神岡探測器觀測到。物理機(jī)制的揣想三.14C測定樹木年代刻度曲線的扭擺-一個可能相關(guān)的旁證：A.J.Sanders,Implicationsfor14CDatingoftheJenkins-FischbachEffectandPossibleFluctuationoftheSolarFusionRate.arXiv:0808.3986V2[astro-ph]

Jenkins-Fischbach等的研究報(bào)告出現(xiàn)后，田納西大學(xué)的Sanders探討了14C測年技術(shù)與他們工作之間可能的關(guān)聯(lián)。美國科學(xué)家W.F.Libby于1946年創(chuàng)立了14C測年技術(shù)，可用來研判7萬年以內(nèi)含碳標(biāo)本的年齡,并因這項(xiàng)貢獻(xiàn)獲得了1960年度諾貝爾化學(xué)獎。他認(rèn)為14C是快中子轟擊空氣中的氮原子核通過14N(n,p)14C反應(yīng)產(chǎn)生的，而快中子是從太陽射來的高能粒子流進(jìn)入大氣層遇到空氣產(chǎn)生的。他還認(rèn)為生物圈內(nèi)所有現(xiàn)存物質(zhì)中14C與12C的成分之比都處于與大氣環(huán)境近似平衡的狀態(tài)，因?yàn)?4C與氧結(jié)合生成CO2，會參與自然界碳的交換循環(huán)運(yùn)動。植物通過光合和呼吸作用與大氣中的CO2進(jìn)行交換，其體內(nèi)就有14C存積下來；動物呼吸空氣、食用植物，體內(nèi)也有了14C。同時，大氣與海面接觸，CO2溶解在海中，海水、海生物以及海底沉積物中都含有14C。由于碳在自界的交換循環(huán)很快，所以，整個生物圈的14C水平基本一致。一旦動物死亡、植物腐爛，就會帶著14C進(jìn)入表層土壤。由于所有已死亡生物群體中的14C成分仍在按放射性衰變規(guī)律不斷減少，得不到補(bǔ)充，使得生物遺骸中14C和12C的比例發(fā)生變化。任何已死亡的植物或動物材料的“14C年齡”可通過簡單地求解從大氣環(huán)境中的14C份額（假定保持不變）下降到死亡生物樣品中的實(shí)驗(yàn)值所需要的衰變時間得出。使樹木的年輪與14C的表觀年齡發(fā)生聯(lián)系的14C(b-,T1/2～5730年)刻度曲線含有許多顯然不是實(shí)驗(yàn)誤差或其它隨機(jī)效應(yīng)的扭擺。CalBP：按樹木年輪計(jì)算的到現(xiàn)在的真實(shí)年齡14C年齡刻度曲線上有許扭擺，這給年代測定帶來很大的困擾。中微子可能是產(chǎn)生14C的另一種中性粒子。以大約200年周期性出現(xiàn)的較大的扭擺可能是地球上太陽中微子通量突然增大的一個證據(jù)。由于太陽中微子來自聚變反應(yīng)，一個合理的推測是：太陽核芯區(qū)的的聚變反應(yīng)是脈沖式運(yùn)作的(準(zhǔn)周期大約200年)。人們觀測到的14C刻度曲線可看作是反映太陽心臟跳動時間史的“中微子心電圖”。中微子通量的短暫突升會產(chǎn)生兩種效應(yīng):(1)大氣中14C的份額突增，它將導(dǎo)致該期間內(nèi)活著的生物樣品“年輕化”；(2)該期間內(nèi)已死亡生物體中的14C相對于突增的大氣環(huán)境中的14C呈現(xiàn)過量的衰變損耗，導(dǎo)致它們的表觀年齡隨著其“14C年齡”而反常地“年老化”。這與Jenkins-Fischbach效應(yīng)可能有某種關(guān)聯(lián)。

Jenkins等人的研究報(bào)告發(fā)表后不久，Berkeley&Livermore實(shí)驗(yàn)室Norman等人就根據(jù)以前發(fā)表的22Na,44Ti，108Agm，121Snm,133Ba和241Am的衰變數(shù)據(jù)尋找a,b-,b+和EC的衰變率與地球至太陽距離之間可能存在的關(guān)聯(lián)。他們得出的結(jié)論是否定的。否定Jenkins-Fischbach效應(yīng)的論據(jù)1.E.B.Normanetal.,EvidenceagainstcorrelationsbetweennucleardecayratesandEarth–Sundistance.Astropart.Phys.31(2009)135-137日期22Na/1274keV與44Ti/1157keVg-射線峰面積(對兩種同位素的衰變作了修正)歸一化比值隨日期的變化?？v軸1.00處的水平線表示所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值。震蕩曲線表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取期1/R2(R表示地球-太陽距離)隨日期的變化，橫軸0點(diǎn)為1994年1月14日。2.P.S.Cooper,SearchingformodificationstotheexponentialradioactivedecaylawwiththeCassinispacecraft.Astropart.Phys.31(2009)267-269卡西尼太空飛船238Pu熱電發(fā)生器歸一化的功率輸出綠色空心圓—經(jīng)過衰變修的，黑色實(shí)點(diǎn)—經(jīng)過效率和衰變修的，綠色線—多項(xiàng)式擬合，紅線—按Jenkins-Fischbach揣想預(yù)期的變化費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的Cooper分析了美國太空總署1997年發(fā)射的卡西尼號太空飛船上238Pua-放射性同位素(T1/2=87.7天）熱電發(fā)生器功率輸出的據(jù)，檢驗(yàn)Jenk