[논문 리뷰] Analysis of Experiments Exhibiting Time-Varying Nuclear Decay Rates: Systematic Effects or New Physics?

J. H. Jenkins, Ephraim Fischbach외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 08.

Radioactive Decay and Measurement Techniques참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 여러 독립 실험에서 관측된 이례적인 시간에 따라 변하는 핵 붕괴율을 조사하며, 체계적 요인들이 관측된 주기성(특히 연간 및 월간 주파수)을 설명할 수 없다고 주장한다. 다양한 동위원소와 검출기에서 일관되게 나타나는 진동을 바탕으로, 저자들은 태양의 영향, 특히 태양 중성자에 의한 것일 가능성이 높다고 제기한다. 54Mn, 60Co, 137Cs 등의 데이터에서 반감기 변화가 월간 간격 동안 최대 0.4%까지 발생하며, 붕괴 과정이 비랜덤이고 외부에서 조절된다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Since the 1930s, and with very few exceptions, it has been assumed that the process of radioactive decay is a random process, unaffected by the environment in which the decaying nucleus resides. There have been instances within the past few decades, however, where changes in the chemical environment or physical environment brought about small changes in the decay rates. But even in light of these instances, decaying nuclei that were undisturbed or un-"pressured" were thought to behave in the expected random way, subject to the normal decay probabilities which are specific to each nuclide. Moreover, any "non-random" behavior was assumed automatically to be the fault of the detection systems, the environment surrounding the detectors, or changes in the background radiation to which the detector was exposed. Recently, however, evidence has emerged from a variety of sources, including measurements taken by independent groups at Brookhaven National Laboratory, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, and Purdue University, that indicate there may in fact be an influence that is altering nuclear decay rates, albeit at levels on the order of $10^{-3}$. In this paper, we will discuss some of these results, and examine the evidence pointing to the conclusion that the intrinsic decay process is being affected by a solar influence.

연구 동기 및 목표

• 다양한 독립 실험에서 관측된 시간에 따라 변하는 핵 붕괴율이 체계적 요인에 기인한 것인지, 또는 새로운 물리학에 기인한 것인지 조사하기 위해.
• 온도, 압력, 습도, 배경 방사선 등의 환경적 또는 검출기 관련 원인들이 붕괴율 변화의 주기성에 기여하지 않는지를 배제하기 위해.
• 특히 연간 및 월간 주파수를 포함한 주기 신호가 다양한 동위원소와 검출기 유형 간에 일관되게 나타나는지 평가하기 위해.
• 관측된 붕괴 데이터의 비랜덤 행동이 외부 영향을 지시하며, 가장 가능성 있는 원인은 태양일 것임을 입증하기 위해.
• 이러한 이면 현상의 세계적 실험적 검증을 촉진하고, 기본 물리학에 대한 잠재적 영향를 논의하기 위해.

제안 방법

• 스캐터링, 지이거-밀러, 비례계, 고체 상태, NaI 검출기 등 다양한 검출 기술을 사용한 3H, 54Mn, 60Co, 137Cs, 226Ra 등의 동위원소를 사용한 14개의 독립 실험에서 수집한 붕괴율 데이터를 수집하고 분석하였다.
• 877일 동안 3600초의 라이브 타임 카운트로 수집된 54Mn 붕괴 데이터에서 장기적 진동을 완화하기 위해 21일 이동 평균을 적용하였다.
• 월 단위 데이터 세그먼트에 가중 최소 제곱법을 적용하여 시간에 따라 변하는 반감기를 계산하고, 줄임된 카이제곱(χ²/d.o.f)을 통해 적합도를 평가하였다.
• 측정된 54Mn의 반감기를 기존의 공인된 반감기 312.12(6)일과 비교하여 유도된 반감기를 310.881(2)일로 산정하였다.
• 붕괴율 변동과의 상관관계를 배제하기 위해 실험실 환경 조건(온도, 압력, 상대 습도)을 모니터링 하였다.
• 장비 오류나 기술적 이상을 배제하기 위해 펜실베니아 대학교, 브룩헤븐 국립연구소, 물리학기술국립청의 데이터를 상세히 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 핵 붕괴율 변화의 주기성이 다양한 동위원소와 검출기 시스템 간에 일관되게 나타나는가? 이는 공통의 외부 원인이 있음을 시사하는가?
• RQ2 온도, 압력, 습도, 배경 방사선 등의 알려진 체계적 요인이 붕괴율 변화의 비랜덤 변동을 설명할 수 있는가?
• RQ3 붕괴율 데이터의 연간 주파수 변화는 계절적 환경 변화 때문인가, 아니면 태양 조절 메커니즘의 결과인가?
• RQ4 단기적 붕괴율 변화(예: 월간 또는 반년 주기)가 태양 활동 또는 태양 중성자율과 관련이 있는가?
• RQ5 관측된 이면 현상은 붕괴율이 외부 영향과 무관하게 일정하다는 가정의 기본적인 위반을 시사하는가?

주요 결과

• 펜실베니아 대학교에서 확보한 54Mn 붕괴 데이터는 유의미한 연간 주파수와 짧은 주기의 진동을 보였으며, 월 단위 데이터에 대한 피팅에서 줄임된 χ²/d.o.f가 1.3으로 나타나 시간에 따라 변하는 붕괴 모델에 잘 맞는다는 것을 시사한다.
• 측정된 54Mn의 반감기는 월 단위 세그먼트 동안 최대 0.4%까지 변동하였으며, 약 310.5일에서 311.2일 사이의 값을 보였다. 이는 검출기 조건이 일관된 상태에서도 발생하였다.
• 877일 전체 기간에 대한 피팅에서의 전체 χ²/d.o.f는 7.99로 나타나 일정한 붕괴율 모델과의 일치도가 낮음을 시사하지만, 데이터를 월 단위로 분할하면 그 적합도가 크게 향상되었다.
• 환경 변수(온도, 압력, 상대 습도)는 유의미한 변동이 없었으며 붕괴율 변동과의 상관관계도 없었기 때문에, 이들이 원인일 가능성은 효과적으로 배제되었다.
• 54Mn, 60Co, 137Cs, 226Ra 등의 다양한 동위원소와 다양한 검출기 유형에서 연간 및 월간 주파수의 일관된 출현은 국소적 장비 오류가 아니라 공통의 외부 영향을 시사한다.
• 저자들은 체계적 요인이 태양의 영향을 설명할 수 없음을 고려할 때, 관측된 이면 현상의 가장 타당한 설명은 태양의 영향, 특히 태양 중성자에 의한 것일 것이라고 결론 내린다.