[논문 리뷰] Concerning the Time Dependence of the Decay Rate of 137Cs

J. H. Jenkins, Ephraim Fischbach외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 09.

Radioactive Decay and Measurement Techniques참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 PTB(1999–2008)에서 10년간의 137Cs 붕괴율 데이터를 시간-주파수 스펙트로그램과 파wer-스펙트럼 분석을 사용하여 분석하여, 유의미한 연간 진동이 없음을 발견하였다. 반면, 동일한 시스템에서 측정된 133Ba는 강한 연간 및 고조파 주기성을 보이며, 붕괴율 변동성이 핵종에 따라 다르며 체계적 요인 때문이 아니라는 것을 시사한다. 이는 일부 동위원소에 태양의 영향이 있을 수 있다는 가설을 지지한다.

ABSTRACT

The decay rates of 8 nuclides (85Kr, 90Sr, 108Ag, 133Ba, 137Cs, 152Eu, 154Eu, and 226Ra) were monitored by the standards group at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig, Germany, over the time frame June 1999 to November 2008. We find that the PTB measurements of the decay rate of 137Cs show no evidence of an annual oscillation, in agreement with the recent report by Bellotti et al. However, power spectrum analysis of PTB measurements of a 133Ba standard, measured in the same detector system, does show such evidence. This result is consistent with our finding that different nuclides have different sensitivities to whatever external influences are responsible for the observed periodic variations.

연구 동기 및 목표

• 장기적인 PTB 측정 자료를 이용하여 137Cs 붕괴율이 주기적 변동, 특히 연간 진동을 보이는지 조사하기.
• 동일한 조건에서 측정된 다른 핵종(특히 133Ba)과 137Cs 붕괴 행동을 비교하여 체계적 요인을 분리하기.
• 붕괴율에 관찰된 주기성이 환경적 요인인지 또는 고유한 핵 현상인지 판단하기.
• 다른 동위원소와 검출기 시스템 간에 붕괴율 변동성이 일관된지 평가하기.
• 태양의 영향, 예를 들어 중성미자 플럭스 또는 태양 진동이 핵 붕괴율을 조절할 수 있다는 가설을 평가하기.

제안 방법

• 반감기 피팅 후 잔차 붕괴율 데이터에 루머-스카글 방법을 사용한 파워-스펙트럼 분석.
• 500개 측정 단위의 세그먼트에 대해 RONO 정규화 및 순차적 우도 파wer-스펙트럼 분석을 이용한 시간-주파수 스펙트로그램 생성.
• PTB에서 동일한 검출기 및 전자기기로 동시에 측정된 137Cs 및 133Ba 붕괴 데이터 비교.
• 특히 연간 및 연간 이하 주파수의 간헐적 또는 비정상적인 주기성을 탐지하기 위해 스펙트로그램의 활용.
• 85Kr, 90Sr, 108Ag, 152Eu, 154Eu 및 226Ra 포함 총 8종의 다른 핵종 데이터를 활용한 교차 비교 분석.
• Ellis(2010), Alburger 등(1980), Bellotti 등(2012)의 결과와의 교차 검증을 통해 일관성과 체계적 요인 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10년 측정 기간 동안 137Cs 붕괴율은 유의미한 연간 또는 연간 이하 주기적 변동을 보이는가?
• RQ2 동일한 검출기 시스템에서 측정되었음에도 불구하고 133Ba는 강한 연간 진동을 보이지만 137Cs는 그렇지 않은 이유는 무엇인가?
• RQ3 관찰된 붕괴율 주기성이 환경적 또는 장비적 요인 때문인지, 아니면 태양 영향과 같은 물리적 메커니즘 때문인지 판단할 수 있는가?
• RQ4 다른 핵종 간에 붕괴율 주기성의 진폭과 단위가 일관되는가, 아니면 상당한 차이를 보이는가?
• RQ5 관찰된 주기성이 Rieger 유형의 진동 또는 태양 자전 고조파와 같은 알려진 태양 주파수와 일치하는가?

주요 결과

• 137Cs 붕괴율 데이터의 스펙트로그램은 2002년에서 2004년 사이에 약간의 비유의미한 연간 진동 신호를 보이며, 주기성에 대한 확실한 증거는 없음.
• 반면, 동일한 검출기 시스템에서의 133Ba 데이터는 2003년에서 2005년 사이에 강력하고 지속적인 연간 진동을 보이며, 2년-1 고조파에 대한 추가적 증거가 있어 Rieger 유형의 진동일 가능성이 있음.
• 동일한 실험 조건에서 137Cs에는 연간 주기성이 없고 133Ba에는 있는 점은 체계적 또는 환경적 원인이 아님을 강력히 시사함.
• 동일한 검출기 및 전자기기 조건에서도 137Cs와 133Ba의 차별화된 행동은 붕괴율 변동성이 핵종에 따라 다르며 측정 오차 때문이 아니라는 가설을 지지함.
• 자료는 태양 영향—예를 들어 조절된 중성미자 플럭스 또는 태양 진동—이 일부 동위원소에 다르게 영향을 줄 수 있다는 가설과 일치함. 이는 226Ra 및 32Si/36Cl와 같은 다른 핵종에서도 관찰됨.
• 이 연구는 모든 핵종이 시간에 따라 변동하는 붕괴율을 보이지 않으며, 만약 변동이 있다면 각 동위원소 간에 진폭, 단위, 주파수 패턴이 상당히 다름을 재확인함.