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1、一个引起争一个引起争论的的问题：原子核衰原子核衰变率率是是 否与否与太阳耀斑太阳耀斑和和地球地球-太阳距离太阳距离相关？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 白白 希希 祥祥 中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院自自1896年年Becquerel发现放射性以来，核物理学家一直在探放射性以来，核物理学家一直在探讨原原子核衰子核衰变率是否会受到温度、率是否会受到温度、压力、化学状力、化学状态、浓度和磁度和磁场等外等外在条件的影响。在条件的影响。1930年年Rutherford，Chadwick和和Ellis等曾断言在等曾
2、断言在所有条件下衰所有条件下衰变率都保持不率都保持不变( (除除K-俘俘获或或强电磁磁场环境中境中b b- -衰衰变外，因外，因为这两种情况略两种情况略显复复杂一些一些) )，但后来的研究表明他，但后来的研究表明他们的的论断断过于于绝对化。若干化。若干裸核裸核和和高剥离高剥离态原子原子的的b b衰衰变实验结果果就是最有力的就是最有力的反面反面证据据之一。例如之一。例如, ,163Dy中性原子是中性原子是稳定的，但定的，但其裸核其裸核163Dy66+的半衰期的半衰期变成成475年；年；187Re中性原子的半衰期中性原子的半衰期为43.5109年，其裸核年，其裸核187Re75+的的缩短短为32.
3、92.0年。关于年。关于各种各种外部外部条件条件对原子核衰原子核衰变影响的有无和程度影响的有无和程度至今仍是一个引起争至今仍是一个引起争论的的问题。无。无论如何，如何，不不稳定核素的寿命不定核素的寿命不应看作是看作是绝对恒定不恒定不变的，的，因因为衰衰变率并非完全决定于原子核的内秉特性。率并非完全决定于原子核的内秉特性。历史背景史背景2009年，美国年，美国Purdue大学大学Jenkins和和Fischbach等人接等人接连发表了几篇原子核衰表了几篇原子核衰变率与太阳事件和地球率与太阳事件和地球- -太阳距离相关的文章，宣称：太阳距离相关的文章，宣称：一、一、在在2006年年12月太阳耀月太
4、阳耀斑期斑期间Purdue大学大学实验室室测量到量到54Mn衰衰变率的突然率的突然变化；二、从化；二、从81年年8月至月至86年年7月期月期间BNL测量的量的32Si(b b- -)衰衰变率数据率数据及及8383年年3 3月至月至0000年年3 3月期月期间德国德国PTB实验室室测量的量的226Ra(a a)衰衰变率数据的分析中看出与率数据的分析中看出与时间明明显关关联的周期性的周期性涨落落现象。不象。不仅 32Si(b b- -) 和和226Ra(a a)两种衰两种衰变随随时间的的涨落相互同步落相互同步，而且，而且都与地球都与地球至太阳距离的至太阳距离的变化相关化相关。他。他们揣揣测已已发表
5、的半衰期表的半衰期测量量值的离散可部分的离散可部分归因因于于测量期量期间太阳活太阳活动的的变化或基本物理常数的季化或基本物理常数的季节性性变化。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) 4074112 J. H. Jenkins et al., Evidence of correlations between nuclear decay rates
6、and Earth-Sun distance, Astropart. Phys. 32 (1) (2009) 4246.3 E. Fischbach et al., Time-dependent nuclear decay parameters: New evidence for new forces?, Space Sci. Rev. 145 (3) (2009) 285335.4 J. H. Jenkins et al., Analysis of environmental influences in nuclear half-life measurement exhibiting tim
7、e-dependent decay rates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010 (in Press)问题的提出和的提出和论据据一一. J. H. Jenkins, E. Fischbach, Perturbation of nuclear decay rates during the solar flare of 2006 December 13, Astropart. Phys. 31 (6) (2009) 407411.太阳耀斑太阳耀斑简介介 在在现代宇宙学可达到的代宇宙学可达到的视界内大界内大约有有
8、1012个星系个星系。仅人人类存身的存身的银河系就河系就有有1.2-21011颗恒星，恒星，太阳只是其中一太阳只是其中一颗较小的仍小的仍处于于氢燃燃烧阶段的主序星段的主序星，其中的核燃其中的核燃烧将以氦将以氦闪光光结束束, 对星系演化和核素合成的影响和星系演化和核素合成的影响和贡献甚微献甚微。但但在太阳系中它却占有支配地位在太阳系中它却占有支配地位( (集中了太阳系集中了太阳系99%99%以上的以上的质量量) )。由于它是离。由于它是离地球最近，能地球最近，能够用用原子物理、核原子物理、核/ /粒子物理、等离子体物理和磁流体力学粒子物理、等离子体物理和磁流体力学的的知知识进行仔行仔细研究的研究
9、的唯一恒星，在天体物理中占有特殊的地位。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耀斑是太阳大气中一种最剧烈的爆烈的爆发性事件，涉及性事件，涉及诸多令人惊奇的物理多令人惊奇的物理过程。它程。它发生在太阳光球外面的色球生在太阳光球外面的色球层中。在色球中。在色球层的某些区域，短的某些区域，短时间内有内有突然增亮的突然增亮的现象，称象，称为耀斑，又叫太阳色球爆耀斑，又叫太阳色球爆发。耀斑。耀斑- -般只存在几分般只存在几分钟、十几分十几分钟，极个，极个别的能持的能持续几个小几个小时。在短短的一二十分。在短短的一二十分钟内，耀斑内，耀斑释放出放出的能量，相当于地球上十万至百万次的
10、能量，相当于地球上十万至百万次强烈火山爆烈火山爆发能量的能量的总和。最壮和。最壮观的耀的耀斑，其爆斑，其爆发过程程释放的放的总能量高达到能量高达到1032尔格量格量级( (但比超新星爆但比超新星爆发释放的能放的能量低几十个量量低几十个量级!)!)。一般。一般认为耀斑的耀斑的产生源于磁生源于磁场能量的快速能量的快速释放，大的耀放，大的耀斑一年只斑一年只发生几次，其中最大的两次峰生几次，其中最大的两次峰值间隔隔约为11年。小的耀斑年。小的耀斑则大大约释放放1027尔格数量格数量级的能量，的能量，刚好达到好达到现代代仪器的探器的探测极限极限; ;小耀斑的持小耀斑的持续时间一般只有几秒一般只有几秒钟；
11、它；它们出出现的周期也大的周期也大约是是11年。年。期期间Purdue大学大学实验室利用室利用1mCi的的54Mn紧贴在在NaI闪烁计数器上、具有数器上、具有良好良好铅屏蔽的装置，在屏蔽的装置，在19.5的恒温条件下的恒温条件下连续测量了量了54Mn K-俘俘获过程程54Mn+e-54Cr+n ne e形成的形成的54Cr退激退激产生的生的834.8 keVg g- -射射线。2006年年期期间在在与地球相与地球相对位置不位置不变的多个的多个军用同步用同步环境境卫星星( (GOES) )上均上均观测到了与到了与两次两次太阳耀斑太阳耀斑相伴随的相伴随的X- -射射线和和带电粒子通量的尖峰粒子通量
12、的尖峰,Purdue大学大学实验室同室同时探探测到到54Mn衰衰变率的率的显著下降。著下降。这些些观测支持支持核衰核衰变率率可能随太阳耀斑可能随太阳耀斑或或地球地球- -太阳距离太阳距离改改变的猜想。的猜想。美国美国东部部时间 2006年年12月月12日日21时37分来自太阳耀斑的中微子流分来自太阳耀斑的中微子流轨迹。中微子在靠近太平洋中迹。中微子在靠近太平洋中Butaritari 附近附近进入地球入地球，在印第安那在印第安那West Lafayette 探探测到的到的计数率呈数率呈现最低最低值之前在气球中穿行了之前在气球中穿行了 9270 km。时间2006年年12月月Purdue大学大学实
13、验室室测量的量的54Mn衰衰变计数率数率( (CR) )数据数据( (深深蓝点点) )和地球同和地球同步步轨道道卫星上探星上探测器器记录的太阳的太阳X-射射线数据数据( (红点点) )。对于于54Mn的数据，每一点表示的数据，每一点表示随后随后4小小时测到的到的 g g-射射线计数数(2.5107)的自然的自然对数数;对于地球同步于地球同步轨道道卫星上星上记录的太阳的太阳X-X-射射线数据，每点表示数据，每点表示对应时间间隔内隔内测到的到的X-射射线累累计通量，通量，单位位为W/m2。绿色色实线是是54Mn数据的数据的拟合合结果。可以看出，果。可以看出， 54Mn数据向下偏离数据向下偏离拟合合
14、绿线与与12月月12日和日和12月月17日出日出现的的X-射射线尖峰在尖峰在时间上吻合。上吻合。12月月22日的偏离与同日日的偏离与同日发生的生的强太阳太阳风暴暴(不不产生生X-射射线峰峰)在在时间上吻合。上吻合。时间有些有些X- -射射线峰未伴随峰未伴随54Mn计计数率的明数率的明显下降，下降，可能与可能与产生生这些事件的具体机制有关。例些事件的具体机制有关。例如如，12月月5日的日的X-射射线暴暴对应的的54Mn计数率的下降数率的下降较小，小， 也也许因因为该射射线暴不是朝向地暴不是朝向地球的。球的。反之，反之，有的有的54Mn计数率的下降未数率的下降未对应X- -射射线计数率峰数率峰值的
15、出的出现，可能是由于可能是由于该X-射射线来自另来自另类太阳事件或太阳反面的太阳事件或太阳反面的发生的事件生的事件(可通可通过探探测中微子中微子观测到到)。例如，例如，12月月22日的日的54Mn计数率的下降数率的下降，与一个与一个强太阳太阳风暴在暴在时间上吻合，它没有上吻合，它没有X-X-射射线峰。峰。当当获得更得更多数据多数据时，我，我们可能可能发现中微子振中微子振荡和其它和其它时间相关的相关的现象象对了解太阳耀斑起重要作用。了解太阳耀斑起重要作用。在在2006年年12月的太阳活月的太阳活动增增强期期间开展的开展的实验研究研究，对所用的所用的仪器器设备提供了一个有效的提供了一个有效的检验。
16、自那以后，太阳一直反常的安静，没有探。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。到亮度同等或更大的耀斑。右右图显示示2008年年12月的数据，没有明月的数据，没有明显的的涨落，落，拟合的半衰期与合的半衰期与标准准值308.8天一致，表明上述天一致，表明上述观测结果的系果的系统偏差很小。偏差很小。2008年年12月月54Mn衰衰变数据数据/ ln(计数数/小小时)时间 二二. J. H. Jenkins et al., Evidence of correlations between nuclear decay rates and Earth-Sun distance, As
17、tropart. Phys. 32 (1) (2009) 4246.(1)归一化的一化的BNL实验室室32Si/36Cl比比值数据和地球数据和地球- -太阳距离随日期的太阳距离随日期的变化化时间32Si(b b- -,T1/2172 年年),36Cl(b b- 98.1%,e1.9%; T1/23.01105 年年)。为了了归一一, 32Si每点的每点的原始数据都乘上了原始数据都乘上了exp(+lt)，36Cl半衰期很半衰期很长, 未修正。原始数据取自未修正。原始数据取自D. E. Alburger et al., Earth Planet.Sci.Lett.78,168-176(1986)。
18、1/R2( (红线) )数据得自美国海数据得自美国海军天文台天文台。(2)归一化的一化的PTBPTB实验室室226Ra( (a a衰衰变T1/21600年年) )计数率数率数据数据( (紫点紫点) )与地球与地球- -太阳距离太阳距离( (红线) )随日期的随日期的变化化时间BNL32Si/36Cl(绿线)和和PTB 226Ra(蓝线)数据五点数据五点平均平均值与地球与地球- -太阳距离太阳距离( (红线) )随日期的随日期的变化化时间揣揣测1. .太阳太阳产生的一种生的一种标量量场导致地球上的致地球上的电磁精磁精细结构常数构常数值发生生变化。化。a-, ba-, b衰衰变都都对电磁精磁精细结
19、构常数构常数值灵敏，因而衰灵敏，因而衰败率率发生季生季节性性变化。化。揣揣测2. 另一可能性是地球上的不另一可能性是地球上的不稳定原子核与定原子核与太阳内部太阳内部发射出来的中微子流射出来的中微子流发生一种新的相生一种新的相互作用，中微子通量随互作用，中微子通量随1/R2和和季季节变化使半衰化使半衰期期发生改生改变。太阳。太阳中微子通量随季中微子通量随季节变化化的的现象象已被日本超神已被日本超神冈探探测器器观测到。到。物理机制的揣想物理机制的揣想三三. .14C测定定树木年代刻度曲木年代刻度曲线的扭的扭摆- -一个可能相关的旁一个可能相关的旁证：A. J. Sanders, Implicati
20、ons for 14C Dating of the Jenkins- Fischbach Effect and Possible Fluctuation of the Solar Fusion Rate. arXiv:0808.3986 V2astro-ph Jenkins-Fischbach等的研究等的研究报告出告出现后，田后，田纳西大学的西大学的 Sanders 探探讨了了14C测年技年技术与他与他们工作之工作之间可能的关可能的关联。美国科学家美国科学家W. F. Libby于于1946年年创立了立了14C测年技年技术，可用来研判，可用来研判7万年以内含碳万年以内含碳标本的年本的年龄, ,
21、并因并因这项贡献献获得了得了1960年度年度诺贝尔化学化学奖。他。他认为14C是是快中子快中子轰击空气中空气中的氮原子核通的氮原子核通过14N(n,p)14C反反应产生的，而快中子是从太阳射来的高能生的，而快中子是从太阳射来的高能粒子流粒子流进入大气入大气层遇到空气遇到空气产生的。他生的。他还认为生物圈内所有生物圈内所有现存物存物质中中14C与与12C 的成分的成分之比之比都都处于与大气于与大气环境近似平衡的状境近似平衡的状态，因，因为14C与氧与氧结合生成合生成CO2，会参与自然界碳的交，会参与自然界碳的交换循循环运运动。植物通。植物通过光合和呼吸作光合和呼吸作用与大气中的用与大气中的CO2
22、进行交行交换，其体内就有，其体内就有14C存存积下来；下来；动物呼吸空气、物呼吸空气、食用植物，体内也有了食用植物，体内也有了14C。同同时，大气与海面接触，大气与海面接触，CO2溶解在海中，溶解在海中，海水、海生物以及海底沉海水、海生物以及海底沉积物中都含有物中都含有 14C。由于碳在自界的交。由于碳在自界的交换循循环很快，所以，整个生物圈的很快，所以，整个生物圈的14C水平基本一致。一旦水平基本一致。一旦动物死亡、植物腐物死亡、植物腐烂，就会就会带着着14C进入表入表层土壤。由于所有已死亡生物群体中的土壤。由于所有已死亡生物群体中的14C成分成分仍在仍在按放射性衰按放射性衰变规律律不断减少
23、，得不到不断减少，得不到补充，使得生物充，使得生物遗骸中骸中14C和和12C的的比例比例发生生变化。化。任何已死亡的植物或任何已死亡的植物或动物材料的物材料的“14C年年龄”可通可通过简单地求解地求解从大气从大气环境中的境中的14C份份额（假定保持不（假定保持不变）下降到死亡生物）下降到死亡生物样品中品中的的实验值所需要的衰所需要的衰变时间得出。得出。使使树木的年木的年轮与与1414C C的表的表观年年龄发生生联系的系的1414C(C(b b-,T1/25730年年)刻度曲刻度曲线含有含有许多多显然然不是不是实验误差或其它随机效差或其它随机效应的扭的扭摆。Cal BP：按按树木年木年轮计算的到
24、算的到现在的真在的真实年年龄14C年年龄刻度曲刻度曲线上有上有许扭扭摆，这给年代年代测定定带来很大的困来很大的困扰。中微。中微子可能是子可能是产生生14C的另一种中性粒子。以的另一种中性粒子。以大大约200年周期性出年周期性出现的的较大的扭大的扭摆可能是地球上太阳中微子通量突然增大的一可能是地球上太阳中微子通量突然增大的一个个证据。由于太阳中微子来自聚据。由于太阳中微子来自聚变反反应，一个合理的推，一个合理的推测是：是：太阳核芯区的的聚太阳核芯区的的聚变反反应是脉冲式运作的是脉冲式运作的(准周期大准周期大约200年年)。人人们观测到的到的14C刻度曲刻度曲线可看作是反映可看作是反映太阳心太阳心
25、脏跳跳动时间史史的的“中微子心中微子心电图”。中微子通量的短中微子通量的短暂突升会突升会产生两种生两种效效应:(1):(1)大气中大气中14C的份的份额突增，它将突增，它将导致致该期期间内内活着的生活着的生物物样品品“年年轻化化”；(2)(2)该期期间内已死亡生物体中的内已死亡生物体中的14C相相对于于突增的突增的大气大气环境中境中的的14C呈呈现过量量的衰的衰变损耗，耗，导致它致它们的表的表观年年龄随着其随着其“14C年年龄”而反常地而反常地“年老化年老化”。这与与Jenkins- Fischbach效效应可可能有某种关能有某种关联。Jenkins等人的研究等人的研究报告告发表后不久，表后不
26、久，Berkeley & Livermore实验室室Norman等等人就根据以前人就根据以前发表的表的 22Na, 44Ti，108Agm，121Snm, 133Ba 和和 241Am的衰的衰变数据数据寻找找a, ba, b- -, b, b+ +和和EC的衰的衰变率与地球至太阳距离之率与地球至太阳距离之间可能存在的关可能存在的关联。他。他们得得出的出的结论是否定的。是否定的。否定否定Jenkins-Fischbach效效应的的论据据1. E. B. Norman et al., Evidence against correlations between nuclear decay rates
27、 and EarthSun distance. Astropart. Phys. 31(2009)135-137日期日期22Na/1274 keV与与44Ti/1157 keV g g-射射线峰面峰面积(对两种两种同位素的衰同位素的衰变作了修正作了修正)归一化比一化比值随日期的随日期的变化。化。纵轴1.00处的水平的水平线表示所有表示所有数据点的平均数据点的平均值。震。震荡曲曲线表示表示实验数据数据获取期取期1/R2(R表示地球表示地球- -太阳距离太阳距离) )随日期随日期的的变化，横化，横轴0点点为19941994年年1月月14日。日。2. P.S. Cooper, Searching f
28、or modifications to the exponential radioactive decay law with the Cassini spacecraft. Astropart. Phys. 31(2009)267-269 卡西尼太空卡西尼太空飞船船238Pu热电发生器生器归一化的功率一化的功率输出出绿色空心色空心圆经过衰衰变修的，修的，黑色黑色实点点经过效率和衰效率和衰变修的，修的，绿色色线多多项式式拟合，合，红线按按Jenkins-Fischbach揣揣想想预期的期的变化化费米国家加速器米国家加速器实验室的室的Cooper分析了美国太空分析了美国太空总署署1997年年发射的
29、卡西尼号太射的卡西尼号太空空飞船上船上238Pu a-a-放射性同位素放射性同位素( (T1/2=87.7天）天）热电发生器功率生器功率输出的出的据，据，检验Jenkins-Fischbach揣想。没有揣想。没有发现偏离指数衰偏离指数衰变规律。律。从从发射算起的射算起的时间/ /年年3. T. M. Semkow et al., Oscillations in radioactive exponential decay. Phys. Lett. B 675(2009)415-419认为Jenkins-Fischbach等声称的等声称的32Si，226Ra衰衰变率随地球率随地球- -太阳距离的太
30、阳距离的变化可能是由于所用探化可能是由于所用探测器器( (电离室、正比离室、正比计数器数器) )灵敏度受灵敏度受环境温度影响境温度影响引起的。引起的。但但J. H. Jenkins et al.,在在 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)一文中一文中通通过对BNL和和PTB实验
31、室所用探室所用探测器的分析，器的分析，认为探探测器灵敏度随温度器灵敏度随温度等等环境条件的境条件的变化太小，不足以解化太小，不足以解释他他们分析出的效分析出的效应。一、一、这里介里介绍的的 Jenkins-Fischbach效效应是是获得美国得美国DOE部分部分资助的研究助的研究课题, ,不像是不像是江湖江湖术士的士的简单胡胡说. .但关于它的真但关于它的真伪存在尖存在尖锐的争的争论。令人困惑的是，持肯定和否定。令人困惑的是，持肯定和否定观点的人采用点的人采用的是的是不同的具体不同的具体证据。据。二、二、这一效一效应即使真地存在，也是相当小的。即使真地存在，也是相当小的。实验测量耗量耗时费力，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以单靠地面靠地面实验室完成。室完成。三、争三、争论的的结果有可能是既肯定不了，又否定不了，最后不了果有可能是既肯定不了，又否定不了，最后不了了之。了之。小小结谢谢诸位位！
