古靈精怪的中微子最近又要搞事情。不過這次，它和地球扯上了關系。

科學家在近期發(fā)表的《自然通訊》雜志上撰文認為，最新方法可通過中微子來分析地球內(nèi)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么關系?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(nèi)部秘密的?

利用中微子研究地球是一門新興學科

在誕生幾十億年之后，我們居住的地球仍然是一顆內(nèi)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(nèi)部的熱量主要是溫泉，但事實上，地球內(nèi)部巨大的熱量是驅(qū)動板塊構(gòu)造、地幔對流的動力，是推動整個地球發(fā)生發(fā)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(chǎn)生的熱量。”中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所習宇飛博士日前接受科技日報記者采訪時表示，鈾238、釷232、鉀-40為地球內(nèi)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，通過采集分析地面以下200公里以內(nèi)的巖石樣本，可以得知地殼中放射性元素產(chǎn)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。”

德國的埃德于1966年第一次提出利用中微子研究地球內(nèi)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。因此對于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(nèi)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(nèi)部熱量，也有利于研究石油、天然氣、煤炭等礦產(chǎn)資源的形成規(guī)律，為找礦提供依據(jù)。

目前探測到的地球中微子僅百余個

然而“捕捉”地球中微子并不是件容易的事。這是因為，中微子個頭小、不帶電，質(zhì)量非常輕，以接近光速運動，與其他物質(zhì)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(chǎn)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，宇宙大爆炸的殘余中微子更是在整個宇宙空間內(nèi)多達330個每立方厘米。大多數(shù)核過程都會產(chǎn)生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、巖石的天然放射性、超新星爆炸等等，連每個人都會因體內(nèi)的鉀-40衰變而每天產(chǎn)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(shù)量，需要用探測到的總數(shù)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(nèi)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(shù)量一共也只有100余個。”曹俊說，目前的探測器無法確定來自地幔發(fā)射性元素產(chǎn)生的熱量，也難以驗證現(xiàn)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。

位于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于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(shù)據(jù)將精確地反映地球內(nèi)部鈾和釷的含量及它們的比例，有助于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(xiàn)有實驗數(shù)十年所取得的數(shù)據(jù)還要多。毫無疑問，它具有高統(tǒng)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(yōu)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，對于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”，認為該探測器能夠制造地球-中微子與探測器內(nèi)部氣體碰撞的3D圖像，并表示，為了首次精確地繪制地幔成分地圖，該探測器的質(zhì)量應當達到200噸。“這項前沿的工作提供了一種揭露地球內(nèi)部能量的手段，目前依然處于構(gòu)想階段。”習宇飛和她的同行們認為。