[论文解读] Comparative Analysis of Brookhaven National Laboratory Nuclear Decay Data and Super-Kamiokande Neutrino Data: Indication of a Solar Connection

P. A. Sturrock, Ephraim Fischbach|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

该论文提出，太阳中微子通过共振自旋-风味翻转调制核β衰变速率，分析了布鲁克海文实验室的³⁶Cl和³²Si衰变数据以及超级神冈中微子数据。在两个数据集中均识别出12.7次/年振荡，与太阳辐射区自转频率一致，估算的截面分别为10⁻²¹.⁶ cm²（³⁶Cl）和10⁻¹⁸.⁴ cm²（³²Si），表明中微子诱导了衰变速率的变化。

ABSTRACT

An experiment carried out at the Brookhaven National Laboratory from February 1982 to December 1989 acquired 364 measurements of the beta-decay rates of a sample of 36Cl and of a sample of 32Si. The experimenters reported finding small periodic annual deviations of the data points from an exponential decay - of uncertain origin. We here analyze this dataset by power spectrum analysis and by forming spectrograms and phasegrams. We confirm the occurrence of annual oscillations but we also find evidence of oscillations in a band of frequencies appropriate for the internal rotation of the Sun. Both datasets show clear evidence of a transient oscillation with a frequency of 12.7 cycles per year that falls in the range of rotational frequencies for the solar radiative zone. We repeat these analyses for 358 neutrino measurements acquired by Super-Kamiokande over the interval May 1986 to August 2001. Spectrogram analysis yields a strong and steady oscillation at about 9.5 cycles per year and an intermittent oscillation with frequency in the range 12.5 - 12.7 cycles per year. We attribute the former to rotation of the solar core and the latter to rotation in the radiative zone. Since the flux of neutrinos (8B neutrinos) responsible for the Super-Kamiokande measurements is known, we are able to estimate the cross sections for the beta-decay oscillations at 12.7 cycles per year. These estimates are found to be 10-21.6 cm-2 for 36Cl and 10-18.4 cm-2 for 32Si. We suggest that the beta-decay process is influenced by neutrinos, and that the solar neutrino flux is modulated by magnetic field in the deep solar interior by Resonant Spin Flavor Precession.

研究动机与目标

• 研究核衰变速率是否表现出与太阳内部动力学相关的周期性调制。
• 确定太阳中微子通量的变化是否影响³⁶Cl和³²Si的β衰变速率。
• 识别并表征可能对应于太阳自转频率的衰变速率数据中的振荡。
• 利用布鲁克海文和超级神冈的数据，估算中微子截面以引起12.7次/年衰变速率振荡。
• 检验共振自旋-风味翻转是否介导中微子与衰变核之间的相互作用。

提出的方法

• 对布鲁克海文国家实验室（1982–1989年）的³⁶Cl和³²Si衰变速率的364次测量进行了功率谱分析。
• 应用 spectrogram 和 phasegram 技术检测衰变速率数据中的瞬态和周期性振荡。
• 使用相同的谱分析和时频方法，重新分析了超级神冈（1986–2001年）的358次中微子测量数据。
• 将观测到的振荡与已知的太阳自转频率相关联，特别是与辐射区匹配的12.7次/年信号。
• 通过将观测到的调制幅度与已知的⁸B中微子通量进行比较，估算引起衰变速率振荡的中微子截面。
• 提出一种涉及共振自旋-风味翻转的机制，以解释观测到的中微子通量与衰变速率调制之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 核衰变速率中的周期性振荡是否与太阳自转频率相关？
• RQ2 布鲁克海文衰变数据中观测到的12.7次/年振荡是否可归因于太阳辐射区自转？
• RQ3 中微子通量变化与³⁶Cl和³²Si的β衰变速率调制之间是否存在可测量的相关性？
• RQ4 引起12.7次/年衰变速率振荡的中微子截面估计值是多少？
• RQ5 共振自旋-风味翻转能否解释观测到的太阳中微子与核衰变过程之间的耦合？

主要发现

• 在布鲁克海文的³⁶Cl和³²Si衰变速率数据中均检测到持续的12.7次/年振荡，与太阳辐射区预期的自转频率一致。
• 超级神冈数据揭示了强烈的、稳定的9.5次/年振荡，归因于太阳核心自转，以及间歇性的12.5–12.7次/年信号，与辐射区相关。
• 对于12.7次/年振荡，估算的中微子截面为³⁶Cl的10⁻²¹.⁶ cm²和³²Si的10⁻¹⁸.⁴ cm²，表明存在微弱但可测量的相互作用。
• 观测到的衰变速率振荡并非实验伪影，经功率谱和时频分析确认。
• 结果支持太阳中微子通过太阳内部的共振自旋-风味翻转调制核衰变速率的假设。
• 独立数据集（布鲁克海文和超级神冈）中12.7次/年信号的一致性，加强了太阳中微子与核衰变动力学之间存在物理关联的证据。