[论文解读] Concerning the Time Dependence of the Decay Rate of 137Cs

J. H. Jenkins, Ephraim Fischbach+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2012

Radioactive Decay and Measurement Techniques参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用时间-频率语谱图和功率谱分析，分析了PTB（1999–2008年）10年期的137Cs衰变速率数据，未发现显著的年度振荡。相比之下，同一系统测量的133Ba则表现出强烈的年度及谐波周期性，表明衰变速率的变异性具有核素特异性，而非系统性效应所致，支持了太阳影响某些同位素的假设。

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.

研究动机与目标

• 利用长期PTB测量数据，研究137Cs衰变速率是否表现出周期性变化，特别是年度振荡。
• 将137Cs衰变行为与在相同条件下测量的其他核素（尤其是133Ba）进行比较，以隔离系统性效应。
• 确定观测到的衰变速率周期性是否由环境因素引起，或指向内在核现象。
• 评估不同同位素和探测器系统之间衰变速率变异性的一致性。
• 评估太阳影响（如中微子通量或太阳振荡）可能调制核衰变速率的假设。

提出的方法

• 在半衰期拟合后的残差衰变数据上，使用Lomb-Scargle方法进行功率谱分析。
• 通过RONO归一化和500次测量段的顺序似然功率谱分析，生成时频语谱图。
• 对比PTB使用相同探测器和电子设备同时测量的137Cs与133Ba衰变数据。
• 利用语谱图检测间歇性或非稳态周期性，特别是年度及亚年度频率。
• 对8种核素（共8种）的数据进行交叉比较，包括85Kr、90Sr、108Ag、152Eu、154Eu和226Ra。
• 与Ellis（2010）、Alburger等（1980）以及Bellotti等（2012）的结果进行交叉验证，以评估一致性和系统性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10年的测量期内，137Cs衰变速率是否表现出任何显著的年度或亚年度周期性？
• RQ2 为何133Ba表现出强烈的年度振荡，而137Cs在相同探测器系统下却不表现，原因是什么？
• RQ3 观测到的衰变速率周期性可归因于环境或仪器效应，还是指向太阳影响等物理机制？
• RQ4 不同核素的周期性变化的振幅和相位是否一致，还是存在显著差异？
• RQ5 观测到的周期性是否与已知的太阳频率（如Rieger型振荡或太阳自转谐波）一致？

主要发现

• 137Cs衰变速率数据的语谱图仅在2002至2004年间显示出微弱且不显著的年度振荡迹象，无确凿周期性证据。
• 相比之下，同一探测器系统测得的133Ba数据在2003至2005年间表现出强烈且持续的年度振荡，还显示出2年1次谐波的证据，可能表明存在Rieger型振荡。
• 137Cs中缺乏年度周期性，而133Ba中却存在，且实验条件完全相同，这强烈反驳了系统性或环境因素的解释。
• 尽管共享探测器和电子设备，137Cs与133Ba表现出的差异行为，支持衰变速率变异性具有核素特异性，而非测量伪影的假设。
• 数据与太阳影响（如调制的中微子通量或太阳振荡）可能以不同方式影响某些同位素的假设一致，如其他核素（如226Ra和32Si/36Cl）中所见。
• 本研究强化了并非所有核素都表现出时间可变的衰变速率，且当存在时，其模式（振幅、相位、频率）在不同同位素间存在显著差异。