中微子告訴你地球內部熱量的秘密

古靈精怪的中微子最近又要搞事情。不過這次，它和地球扯上了關係。

科學家在近期發表的《自然通訊》雜誌上撰文認為，最新方法可通過中微子來分析地球內部熱量的準確來源。

中微子這種極小的、虛無縹緲的粒子與地球有什麼關係？科學家們又是如何通過它透露出的蛛絲馬跡來研究地球內部秘密的？

利用中微子研究地球是一門新興學科

在誕生幾十億年之後，我們居住的地球仍然是一顆內心熾熱、表面溫暖的星球。雖然我們直觀感受到的來自地球內部的熱量主要是溫泉，但事實上，地球內部巨大的熱量是驅動板塊構造、地幔對流的動力，是推動整個地球發生髮展和演化的動力。

「地熱的主要來源有地球早期殘熱和來自地殼、地幔的放射性元素衰變產生的熱量。」中國地質科學院水文地質環境地質研究所習宇飛博士日前接受科技日報記者採訪時表示，鈾238、釷232、鉀-40為地球內部主要放射性生熱元素，這些元素在長期衰變過程中，釋放出大量的能量，這是地熱學的研究對象。

習宇飛解釋道，通過採集分析地面以下200公里以內的岩石樣本，可以得知地殼中放射性元素產生的熱量，但更深的地幔中放射性元素含量的估算爭議很大。「地球科學家一直在尋找能夠直接獲得地幔放射性元素的手段。」

德國的埃德於1966年第一次提出利用中微子研究地球內部成分的想法。「放射性元素釋放出大量的中微子，這是粒子物理的研究對象。因此對於地球中微子的研究則是兩者的交叉學科，通過對地球中微子的研究，可以獲知地球內部尤其是來自地幔中的放射性元素的分布和總量，進而研究地球的形成、熱演化等地學問題。」習宇飛說。

利用地球中微子研究地球內部熱量，也有利於研究石油、天然氣、煤炭等礦產資源的形成規律，為找礦提供依據。

目前探測到的地球中微子僅百餘個

然而「捕捉」地球中微子並不是件容易的事。這是因為，中微子個頭小、不帶電，質量非常輕，以接近光速運動，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的「隱身人」。

中科院高能所研究員曹俊曾在一篇科普文章中寫道：我們身邊的中微子其實非常多，例如，一個典型的核反應堆每秒鐘產生6萬億億個中微子，每秒鐘有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體，宇宙大爆炸的殘餘中微子更是在整個宇宙空間內多達330個每立方厘米。大多數核過程都會產生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、岩石的天然放射性、超新星爆炸等等，連每個人都會因體內的鉀-40衰變而每天產生4億個中微子。

這些中微子幾乎自由地穿行，本身不能被探測，只有極少的一部分會被探測器捕獲，變成可觀測的粒子。

「要獲取地球中微子的數量，需要用探測到的總數剔除來自反應堆及其他途徑的中微子。」曹俊說。

但科學家們沒有放棄努力。習宇飛告訴科技日報記者，目前世界上已有的地球中微子探測器都是通過反β衰變來捕獲中微子的。人類首次提出利用地球中微子研究地球內部組成和能量是在20世紀80年代，首次捕捉到地球中微子是在2005年。

「截至目前，全世界探測到的地球中微子數量一共也只有100餘個。」曹俊說，目前的探測器無法確定來自地幔發射性元素產生的熱量，也難以驗證現有地球模型的準確性，離地球物理學家們的期望還有較大差距。

江門實驗被寄予厚望

值得一提的是，粒子物理學者和地學家均將目光鎖定在中國的江門中微子實驗。

位於廣東省江門地下中微子實驗（JUNO）將成為第四個探測到地球中微子的實驗。JUNO於2015年開始建設，計劃2019年底建成。JUNO的液閃為20千噸，是目前世界上最大的實驗站的20倍。「江門實驗能夠更準確地探測地球中微子，其實驗獲得的數據將精確地反映地球內部鈾和釷的含量及它們的比例，有助於地學家進一步研究地球演化模型。」中科院高能所所長王貽芳院士在7月底召開的「華南大陸邊緣地球科學—中微子科學交叉國際研討會」上曾表示。

「江門實驗第一年將取到400個地球中微子事件，比現有實驗數十年所取得的數據還要多。毫無疑問，它具有高統計量、高能量精度測量地球中微子的能力，與其他地球中微子探測實驗相比具有極大優勢。」曹俊說。

此外，利用反β衰變捕獲地球中微子，一方面無法捕獲鉀-40釋放的地球中微子；另一方面，不能反映地球中微子的方向，對於精確探測地球中微子具有一定的不足。

《自然通訊》上這篇最新論文提出，利用電子中微子彈性散射和低本底、方向敏感的追蹤探測器來研究地球放射性熱量，能有效探測鉀-40、地幔及地核中的中微子信號。該文作者提議使用充氣「時間投影探測器」，認為該探測器能夠製造地球-中微子與探測器內部氣體碰撞的3D圖像，並表示，為了首次精確地繪製地幔成分地圖，該探測器的質量應當達到200噸。「這項前沿的工作提供了一種揭露地球內部能量的手段，目前依然處於構想階段。」習宇飛和她的同行們認為。（記者 操秀英）

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