太陽中微子影響放射性衰變率？證據還不夠！

編譯 寒冬

審校 金庄維

美國三位物理學家認為太陽中微子會影響地球上的放射性衰變率，並進一步給出證據。之前的研究考察衰變率每年的波動情況，而這項新的研究發現了某些振蕩的證據，這些振蕩的頻率大約為每年11和12.5個周期。後者似乎與日本超級神岡探測器的中微子觀測數據中的振蕩模式匹配。然而，有些物理學家並不相信這一說法。

β衰變率存在波動的想法充滿爭議。因為80多年來，人們都認為放射性物質在所有條件下都遵循恆定的指數衰變：這來源於盧瑟福、查德威克和查理斯·厄里斯（Charles Ellis）在1930年發表的關於放射性物質的理論。

然而近些年來，有人提出衰變率並非恆定，而是受太陽影響。2009年，普渡大學的物理學家在布魯克海文國家實驗室（BNL）對硅-32和氯-36以及德國聯邦物理技術研究所（PTB）對鐳-226的長期測量中發現，被測元素的衰變率存在出乎意料的波動。

並非常數？

普渡大學的研究人員指出，兩個實驗測得的衰變率似乎年初的時候最快，而這時候地球離太陽最近。他們提出衰變速率每年的振蕩可能與日地距離的變化有關，太陽中微子或許以某種方式影響著衰變率。

然而這個想法在物理學界遭到了一些質疑。部分批評者認為，環境因素（如周圍溫度）已被證明可以影響衰變率，這能解釋衰變率按季節的變化。而另一些人指出，中微子極少與其他粒子相互作用，並且沒有已知的物理機制可以解釋中微子對衰變率的影響。

在最近的研究中，斯坦福大學應用物理學家 PeterSturrock，普渡大學的Ephraim Fischbach 和 NASA 阿米斯研究中心的天體物理學家 Jeffrey Scargle 對BNL硅-32和氯-36數據進行了功率譜和光譜分析，揭示了衰變率的振蕩頻率為每年11和12.5個周期，並證實了普渡大學研究人員之前發現的振蕩模式。他們還分析了超級神岡的五年測量結果，發現太陽中微子通量的類似振蕩。

類似的振蕩

超級神岡的數據收集於1996年和2001年間，研究人員發現其中存在每年12.5和9.5個周期的中微子通量振蕩。他們表示，12.5周期/年的振蕩可能與太陽輻射層的旋轉有關，而9.5周期/年的振蕩可能與太陽核心的旋轉有關。

每年12.5個周期的衰變率振蕩與太陽中微子通量振蕩相符。但每年9.5（中微子通量）和11（衰變率）個周期的振蕩就難以聯繫在一起了。研究人員說，每年11個周期的振蕩可能源自太陽核心和輻射層之間的區域。

Sturrock 表示，他的團隊首次「在衰變數據和中微子數據中發現類似模式。從 BNL 和超級神岡的數據中，我看到太陽內部旋轉的證據」。他補充說：「通過對比發現，從這兩組數據中得到的光譜驚人地相似，並且和我們從日震學中獲得的太陽輻射層的旋轉情況非常接近。

未知機制

Sturrock 說，中微子對 β 衰變率的影響機制尚未明了。「我推測中微子可以與β衰變中的W玻色子相互作用，」他解釋說，「但我希望理論物理學家也能參與研究這個問題。」

然而，依然有人保持懷疑。PTB 的物理學家 Karsten Kossert 表示，自己和其他人的研究表明，「一些儀器的讀數中存在某些波動。由於不同儀器和或測量方法會產生不同的差異，而太陽中微子的影響是共有的，我們可以排除太陽中微子產生這些差異的可能性。」他補充說：「我們已經證明，在某些情況下環境因素（如溫度、濕度、空氣壓力）與儀器讀數之間存在明顯的相關性。

在 Kossert 最近參與的一項研究中，研究人員調查了世界各地14個實驗室的衰變率數據。報告的結論是「數據的季節性變化可以解釋為實驗儀器的不穩定性」，以及「在幾周或幾個月內，數據沒有明顯變化」。

未被說服

根據華盛頓大學實驗核物理和天體物理中心主任 Hamish Robertson 的說法，中微子影響β衰變率的證據「說服力不足」。他說：「他們提出了符合假設的證據，但卻忽略了其他不符合該理論的證據（例如，對氚的β衰變的長期研究）。」他補充說：「用一種現象的波動擬合另一種現象，最終你會得到非常招眼球的結論。」

美國弗吉尼亞理工學院的 Patrick Huber 說，「相關性不是因果關係。即使我們假設衰變率存在變化，我也沒有在數據中看出它和中微子有什麼關係。」

Huber補充說，如果真的存在這種與實驗儀器無關的振蕩，那麼這就需要「非凡的新物理來進行解釋，為此還需要非凡的新證據。目前的工作顯然不夠。而且他們沒有提出如何驗證這個假設或下一步如何研究這個問題。」

主要參考文獻：http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/nov/24/do-solar-neutrinos-affect-nuclear-decay-on-earth

論文基本信息

【題目】Comparative Analyses of Brookhaven National Laboratory Nuclear Decay Measurements and Super-KamiokandeSolar Neutrino Measurements: Neutrinos and Neutrino-Induced Beta-Decays asProbes of the Deep Solar Interior

【作者】P. A. Sturrock, E.Fischbach, and J. D. Scargle

【刊期】Solar Physics

【日期】2016.11.7

【DOI】10.1007/s11207-016-1008-9

【摘要】An experiment carriedout at the Brookhaven National Laboratory over a period of almost 8 yearsacquired 364 measurements of the beta-decay rates of a sample of 32Siand, for comparison, of a sample of 36Cl. The experimenters reportedfinding 「small periodic annual deviations of the data points from anexponential decay…of uncertain origin」. We find thatpower-spectrum and spectrogram analyses of these datasets show evidence notonly of the annual oscillations, but also of transient oscillations withfrequencies near 11 year?1 and 12.5 year?1.Similar analyses of 358 measurements of the solar neutrino flux acquired by theSuper-Kamiokande neutrino observatory over a period of about 5 years yieldevidence of an oscillation near 12.5 year?1 and another near 9.5year?1. An oscillation near 12.5 year?1is compatible with the influence of rotation of the radiative zone. We suggestthat an oscillation near 9.5 year?1 may be indicative ofrotation of the solar core, and that an oscillation near 11 year?1may have its origin in a tachocline between the core and the radiative zone.Modulation of the solar neutrino flux may be attributed to an influence of theSun』s internal magnetic field by the Resonant Spin Flavor Precession (RSFP)mechanism, suggesting that neutrinos and neutrino-induced beta decays canprovide information about the deep solar interior.

【鏈接】http://link.springer.com/article/10.1007/s11207-016-1008-9

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· Science 一周論文導讀 | 02 Dec 2016

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