Влияние Солнца на скорость радиоактивных распадов

Вот уже несколько лет Йере Йенкинс (Jere Jenkins) и Ефраим Фишбах (Ephraim Fischbach) пытаются доказать всему миру, что Солнце влияет на скорость распада радиоактивных элементов. Как именно влияет и как именно они пытаются это доказать — см. ниже. Они пишут статьи и даже публикуются в журналах, хотя по моим критериям наукой это не является (почему — опять же см. ниже).

Иногда им удается попасть в СМИ благодаря пресс-релизам своего университета. Похоже, что нечто подобное происходит и в этот раз. Вот новость от Стэнфордского университета, вот заметка в журнале Symmetry, который издается совместно Фермилабом и Стэнфордской национальной ускорительной лабораторией; на всякие онлайн СМИ я уже ссылок не даю. На мой взгляд в обоих случаях — просто безответственно сработали пресс-центры.

Честно говоря, мне не хотелось писать на эту тему, но кое-что уже стало появляться и в Рунете, и не исключено, что станет время от времени появляться и в будущем. Поэтому мне кажется полезным один раз со своей колокольни написать подробно про эту историю. Если лень всё читать — вот вывод: глупости всё это, наукообразные и даже опубликованные глупости. Никакой физики за этим не стоит.

Утверждения Йенкинса и Фишбаха

В своей статье Astropart.Phys.32:42-46,2009 (текст доступен в архиве препринтов arxiv:0808.3283) Йенкинс и Фишбах вместе с еще несколькими авторами из университета Пердью утверждают, что скорость радиоактивного распада некоторых изотопов не постоянна, а меняется с периодичностью в 1 год. В подтверждение этого они приводят результаты двух старых (чужих) экспериментов: измерение периода полураспада изотопа ³²Si в Брукхэвенской национальной лаборатории с 1982 по 1986 годы и измерение радиоактивности изотопа ²²⁶Ra в немецком центре PTB c 1984 по 1999 годы. То, что непосредственно измерялось в обоих экспериментах — это частота отсчетов детектора, регистрировавшего события распада. На графике частоты отсчетов от времени имеются четко заметные сезонные усиления и ослабления активности на уровне в доли процента (см. рис.1):

Рис. 1. Годичные осцилляции в данных PTB. Изображение из статьи arxiv:0808.3283.

Сами авторы тех экспериментов говорят, что они не могут объяснить эти осцилляции. Это объяснение решили предложить Йенкинс и Фишбах. Они считают, что сезонные изменения связаны с тем, что Солнце за счет какого-то неизвестного науке механизма ускоряет радиоактивный распад этих изотопов. Земля в своем годичном движении то подходит ближе к Солнцу, то отходит дальше, из-за чего и наблюдаются сезонные осцилляции радиоактивности.

Впрочем, в качестве «рабочей гипотезы» авторы предлагают нейтрино, которые, как известно, в больших количествах испускает Солнце. Почему именно нейтрино? Аргументация очень интересная. В еще одной своей статье Astropart.Phys.31:407-411,2009 (препринт arxiv:0808.3156) они описывают свой собственный эксперимент длительностью в один месяц по измерению радиоактивности изотопа ⁵⁴Mn. В ходе этого эксперимента 13 декабря 2006 года произошла сильная солнечная вспышка, и как раз в это время на графике частоты отсчетов обнаружилась небольшая впадина (рис.2):

Рис. 2. Частота отсчетов в эксперименте Йенкинса/Фишбаха и график солнечной активности в рентгене в декабре 2006 года. Изображение из статьи arxiv:0808.3156.

Авторы посчитали это совпадение неслучайным, и предположили, что солнечная вспышка тоже повлияла на скорость распада. Правда незадача — в момент солнечной вспышки в США была ночь. Значит, решили авторы, сигнал от солнечной вспышки смог беспрепятственно пройти сквозь Землю, а на это способны только нейтрино.

Вообще, хорошему физику вся эта логика сразу покажется дикой. Обсуждение, в чем тут дикость, я пока отложу, а пока поговорю про сами эксперименты.

Обсуждение экспериментов

Даже если вы никогда не ставили экспериментов по регистрации частиц, вы можете догадаться, что это совсем не простое дело. Детектор — это вовсе не «телепат», который тут же узнаёт о каждом распаде внутри образца. При распаде из образца вылетают заряженные частицы с заметной энергией. Они оставляют в веществе детектора ионизационный след, который затем регистрируется либо визуально, либо электронно. (Вот для примера как устроены типичные детекторы в современных ускорительных экспериментах.)

Далее, мы все на уровне Земли постоянно подвергаемся бомбардировке космическими лучами — это тоже частицы высокой энергии, которые прилетели их космоса (или рожденные ими частицы при входе в атмосферу). Такие частицы тоже могут попасть в детектор и оставить в нем свой след. Бывают еще и частицы-продукты распада радиоактивных изотопов тех элементов, из которых состоит сам детектор, или даже продукты распада газа радона, который присутствует в атмосфере и накапливается в подвалах и прочих низинах, в том числе просто в Земле (и кстати, известно, что концентрация радона меняется от сезона к сезону).

Так что детектор — он еще не «телепат» в том смысле, что он не в курсе, откуда взялась частица, оставившая след. Поэтому требуется хорошая экранировка от космических лучей, требуются радиочистые материалы для детектора и требуется правильная обработка данных, чтобы отделить нужные события от фоновых, связанных с естественным радиационным фоном. Все эти проблемы известны, с ними при конструировании детекторов частиц стараются бороться, как могут, но дело это непростое и в нем есть много подводных камней.

Дополнительная сложность возникает в длительных экспериментах, поскольку на длинных промежутках времени «всё плывет»: меняются неизвестным образом характеристики детектора, меняются условия, в которых находится лаборатория, меняется в конце концов атмосфера над лабораторией. Причем всё это меняется по неизвестному заранее закону — никто ведь не калибрует детектор в течение 15 лет перед тем, как начать сам эксперимент! Предвидить все такие сложности и правильно оценить возникающую из-за них погрешность тоже очень непросто.

По этой причине считается общепринятым, что лучше всего достоинства и недостатки своего детектора понимают именно те люди, которые непосредственно его настроили, откалибровали, снимали данные и обрабатывали их с учетом своего знания. И если кто-то посторонний начинает обрабатывать сырые данные или самостоятельно пытается оценить систематические погрешности — это выглядит несерьезно.

Особенно, когда это делается так, как попытались сделать Йенкинс и Фишбах в еще одной своей статье NIMR A, 620, 332-342 (2010) (препринт arxiv:0912.5385). Там они проверили три сезонных фактора, которые могли бы повлиять на поведение детектора: температуру, давление и влажность. Они выяснили, что осцилляции нельзя списать целиком на какой-то один фактор. Но можно ли списать на одновременное действие всех трех факторов, они признаются, что уже сказать не могут.

Чтобы сравнить, как такой анализ делается по-настоящему, можно почитать, например, в статье коллаборации DAMA/LIBRA, которая занимается поиском частиц темной материи (см. новость Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи). Там, кстати, тоже искомый сигнал проявляется в виду сезонной вариации некоторых событий, и этот сигнал там действительно виден. Но из-за сложности эксперимента до сих пор мало кто верит, что этот сигнал надо интерпретировать как регистрацию частиц темной материи. Уж слишком много иных сезонных эффектов тут может вмешаться!

И наконец, иногда эксперименты бывают настолько тонки, что даже сами создатели установки после многократных проверок так и не могут понять, что же в их эксперименте идет наперекосяк. Вот буквально на днях я писал про измерение гравитационной постоянной, в которой три разных эксперимента получили сильно различающиеся результаты и так и не могут пока придти к консенсусу. Есть и другие подобные примеры. И кстати не всегда с течением времени ситуации разрешаются; иногда они так и остаются в подвешенном состоянии. Поэтому надо понимать, что иногда бывают конкретные эксперименты, авторы которых так и не смогли разобраться до конца в установке и отловить все фоны и источники погрешностей.

Проверки и возражения

Опять же, не надо быть никаким специалистом, чтобы задаться простым вопросом: почему Йенкинс и Фишбах ограничились только этими двумя экспериментами? Неужели за всю историю физики не было других экспериментов по измерению скорости радиоактивных распадов других изотопов?

Экспериментов, конечно, была уйма, но подавляющее большинство из них были кратковременными. Тем не менее, и длительные эксперименты тоже проводились. Сразу после препринтов Йенкинса и Фишбаха в 2008 году появились два других препринта, результаты которых опровергают гипотезу Йенкинс/Фишбаха о влиянии Солнца на радиоактивность.

В первой статье Astropart.Phys.31:135-137,2009 (препринт arxiv:0810.3265) просто приведены данные трех более свежих экспериментов по измерению радиоактивность других изотопов. Вот, например, результаты одного из них (рис.3):

Рис. 3. Данные по радиоактивности изотопа бария-133 и ожидаемое поведение данных, если бы гипотеза Йенкинс/Фишбаха была верна. Изображение из статьи arxiv:0810.3265.

Синусоида здесь показывает ту осцилляцию, которая проступила бы в данных, если бы гипотеза Йенкинс/Фишбаха была верна. Никакого намека на нее в данных нет.

Во второй статье Astropart.Phys.31:267-269,2009 (препринт arxiv:0809.4248) сделан еще более замечательный анализ. Ведь у нас, фактически, и так уже есть многолетние эксперименты по измерению уровня радиоактивности источников на разных расстояниях от Солнца — на космических спутниках, запущенных к другим планетам. Проверка того, как ведет себя радиоактивность на расстояниях от Солнца, существенно ближе или дальше, чем Земля, будет гораздо более сильным аргументом. Особенно с учетом того, что на спутниках нет земных времен года.

Например, аппарат Кассини, который сейчас благополучно изучает систему Сатурна, в течение первых двух лет своего пути два раза пролетал мимо Венеры, и тем самым он «прощупал» расстояния до Солнца от 0,7 до 1,6 астрономических единиц. На аппарате установлен ядерный реактор радиоизотопный генератор на ²³⁸Pu с периодом полураспада 88 лет. Мощность, вырабатываемая генератором, отслеживается ежедневно с высокой точностью. Есть, правда, технический вопрос о том, как меняется его КПД со временем, но его тоже можно оценить, исходя из данных (тут помогает тот факт, что на своей траектории Кассини 5 раз проходил через точку 1 а.е., так что эти данные «самокалибрующиеся»).

Рис. 4. Мощность плутониевого генератора в космическом аппарате Кассини за вычетом эффектов КПД и распада (черные точки) и ожидаемое поведение данных (красная кривая), если бы гипотеза Йенкинс/Фишбаха была верна. Изображение из статьи arxiv:0809.4248.

На рис. 4 показаны данные по мощности генератора, скорректированные относительно распада и КПД (черные точки). А красной линией показано то, как должны были вести себя эти данные, будь гипотеза Йенкинс/Фишбаха верна. Ничего похожего.

Обсуждение «научных гипотез» Йенкинса/Фишбаха

Теперь поговорим про интерпретации, которые предлагают Йенкинс и Фишбах. Слова «научные гипотезы» я взял в кавычки, потому что никакие это не научные гипотезы, а безответственная игра словами.

1. «Ну мало ли!» Сами авторы неоднократно признаются, что они не имеют ни малейшего представления, как Солнце может влиять на скорость радиоактивных распадов на Земле. Никаких попыток построить хотя бы простейшую динамическую модель, в которой реакция распада шла бы быстрее под действием потока испускаемых Солнцем частиц, будь то нейтрино, или что-то иное, они не предъявляют. Они просто и наивно говорят: «Ну мало ли!»

Я хочу специально подчеркнуть, что это «ну мало ли» — ненормально. В современной физике постоянно рождаются идеи о том, что наш мир обладает какими-то свойствами, которые мы до сих пор не открыли (новые частицы или взаимодействия, суперсимметрия, струны, многомерные модели, сложная топология вселенной и т.д.). Но всегда, когда физики предлагают что-то подобное, они свое предложение описывают формулами. В без них — нет никакой идеи, есть просто болтовня.

Кстати, про другой пример такой безответственной болтовни я как-то писал в блоге.

Чтоб не придирались и не перевирали мои слова, отдельно скажу вот что. Я ни в коей мере НЕ утверждаю, что всё, что не попадает в рамки общепринятой сейчас физики, надо гнать в шею. Я говорю, что если вы хотите предложить гипотезу о строении мира, предъявите хоть какую-нибудь ее математически осмысленную формулировку. И даже если у вас есть какие-то абсолютно железобетонные, неоспоримые, воспроизводимые данные, которые совсем никак не вписываются в современную картину мира (тут, разумеется, не этот случай), то вы имеете право только сказать «вот четкие данные, которые не вписывают в картину мира» (на Нобеля этого хватит, не беспокойтесь), а не бежать сломя голову выдумывать разные «мало ли».

2. Нейтрино. Со стороны может показаться, что для выбора нейтрино в качестве объяснения у Йенкинса и Фишбаха были какие-то серьезные основания. Ничего подобного. Они выбрали нейтрино, потому что все остальные частицы точно не подходят: то, что Земля непрозрачна ни для чего больше, понятно всем.

Правда, они физику нейтрино просто не понимают (это видно по некоторым утверждениям), и со своей нейтринной идеей они вляпались сразу в две проблемы, от которых они, впрочем, открещиваются теми же словами «ну мало ли». Первая касается физики нейтрино. Это вовсе не мистические частицы, как иногда пишут СМИ; про нейтрино уже много чего известно. В частности, известно, что из-за своего очень малого сечения взаимодействия, солнечные нейтрино взаимодействуют с веществом очень редко. Поэтому нейтрино никак не могут дать настолько сильный эффект — каков бы ни был вообще механизм усиления радиоактивности.

Кстати, не задумываясь о механизме воздействия, авторы естественно не в курсе того, что вообще-то воздействие нейтрино зависит от энергии. Реакции не случаяются просто от того, что нейтрино где-то рядом. Этот ляп прекрасно виден в их «научном предложении» искать реликтовые нейтрино — ведь их много и они повсюду. Правда, то, что они обладают очень малой энергией и соответственно очень малым сечением, Йенкинса и Фишбаха не беспокоит.

3. Нейтрино и солнечные вспышки. Своим предположением о солнечной вспышке и нейтринном потоке авторы вляпались еще в одну проблему — они мимоходом «опровергли» всю солнечную физику. Они предположили, что солнечные нейтрино могут как-то воздействовать на само Солнце и в частности, порождать солнечные вспышки. Опять же из-за малого сечения взаимодействия, ничего подобного нейтрино сделать не могут. И аргумент «ну мало ли» тут несостоятелен — нейтрино (причем не только солнечные) изучены хорошо, и если бы такой эффект мог произойти, это кардинально бы поменяло все результаты остальных экспериментов с нейтрино.

4. А может и не нейтрино. На самом деле, им совершенно не важно, нейтрино это или какие-то другие экзотические частицы, которые, типа, испускает Солнце. Экзотические частицы даже лучше, тут уж физики не смогут придраться, что знают их свойства, как в случае с нейтрино (ура! значит, можно использовать аргумент «ну мало ли»!). И вообще, можно предположить, что Солнце является источником еще двух полей какого-то нового типа, которые меняют значение постоянной тонкой структуры и отношение масс протона и электрона. (Это не шутка, это их реальное предположение, которое кочует из статьи в статью.) Тогда можно заставить Солнце менять скорость распада. Правда, о том, что при накроется медным тазом вся спектроскопия, которая промеряна с точностью в миллиардные доли, их не беспокоит.

5. Логика. На закуску — некоторые проблемы с логикой. Например, они хотят, чтобы нейтрино (или новые частицы) одновременно и проникали сквозь вещество (чтоб могли пролететь насквозь через всю Землю) и не проникали (чтобы достаточно сильно повлиять на скорость распада ядер в махоньком радиоактивном образце в лаборатории). Или вот — они хотят, чтобы само бурлящее Солнце не блокировало нейтрино (чтоб поток нейтрино из центра Солнца был стабильным) и одновременно, чтобы блокировало, порождая (неизвестно как) вспышки. Или вот — свой подход «ну мало ли» они применяют к фундаментальной физике, но не применяют к поиску природных причин, могущих привести к сезонной вариации чувствительности детектора (как я говорил, потенциальные источники не исчерпываются температурой, влажностью и давлением).
Ну или можно еще раз вернуться к рисунку 2 и поинтересоваться, как авторы объясняют совпадения/несовпадения между другими пиками рентгена и флуктуациями в частоте отсчетов.

Если покопаться, можно найти еще много чего интересного, но писать это всё что-то уже лень. Группа продолжает выпускать препринты и даже печататься в журналах, но никакого смысла от этого во всей этой деятельности не появляется.

См. также дополнение про (не)универсальность.