古靈精怪的中微子最近又要搞事情。不過(guò)這次，它和地球扯上了關(guān)系。

科學(xué)家在近期發(fā)表的《自然通訊》雜志上撰文認(rèn)為，最新方法可通過(guò)中微子來(lái)分析地球內(nèi)部熱量的準(zhǔn)確來(lái)源。

中微子這種極小的、虛無(wú)縹緲的粒子與地球有什么關(guān)系?科學(xué)家們又是如何通過(guò)它透露出的蛛絲馬跡來(lái)研究地球內(nèi)部秘密的?

利用中微子研究地球是一門(mén)新興學(xué)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(lái)自地球內(nèi)部的熱量主要是溫泉，但事實(shí)上，地球內(nèi)部巨大的熱量是驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造、地幔對(duì)流的動(dòng)力，是推動(dòng)整個(gè)地球發(fā)生發(fā)展和演化的動(dòng)力。

“地?zé)岬闹饕獊?lái)源有地球早期殘熱和來(lái)自地殼、地幔的放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量。”中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所習(xí)宇飛博士日前接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)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(zhǎng)期衰變過(guò)程中，釋放出大量的能量，這是地?zé)釋W(xué)的研究對(duì)象。

習(xí)宇飛解釋道，通過(guò)采集分析地面以下200公里以?xún)?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(zhēng)議很大。“地球科學(xué)家一直在尋找能夠直接獲得地幔放射性元素的手段。”

德國(guó)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(duì)象。因此對(duì)于地球中微子的研究則是兩者的交叉學(xué)科，通過(guò)對(duì)地球中微子的研究，可以獲知地球內(nèi)部尤其是來(lái)自地幔中的放射性元素的分布和總量，進(jìn)而研究地球的形成、熱演化等地學(xué)問(wèn)題。”習(xí)宇飛說(shuō)。

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(cè)到的地球中微子僅百余個(gè)

然而“捕捉”地球中微子并不是件容易的事。這是因?yàn)?，中微子個(gè)頭小、不帶電，質(zhì)量非常輕，以接近光速運(yùn)動(dòng)，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，號(hào)稱(chēng)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(xiě)道：我們身邊的中微子其實(shí)非常多，例如，一個(gè)典型的核反應(yīng)堆每秒鐘產(chǎn)生6萬(wàn)億億個(gè)中微子，每秒鐘有3億億個(gè)太陽(yáng)中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體，宇宙大爆炸的殘余中微子更是在整個(gè)宇宙空間內(nèi)多達(dá)330個(gè)每立方厘米。大多數(shù)核過(guò)程都會(huì)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(gè)人都會(huì)因體內(nèi)的鉀-40衰變而每天產(chǎn)生4億個(gè)中微子。

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

“要獲取地球中微子的數(shù)量，需要用探測(cè)到的總數(shù)剔除來(lái)自反應(yīng)堆及其他途徑的中微子。”曹俊說(shuō)。

但科學(xué)家們沒(méi)有放棄努力。習(xí)宇飛告訴科技日?qǐng)?bào)記者，目前世界上已有的地球中微子探測(cè)器都是通過(guò)反β衰變來(lái)捕獲中微子的。人類(lèi)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(jì)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(cè)到的地球中微子數(shù)量一共也只有100余個(gè)。”曹俊說(shuō)，目前的探測(cè)器無(wú)法確定來(lái)自地幔發(fā)射性元素產(chǎn)生的熱量，也難以驗(yàn)證現(xiàn)有地球模型的準(zhǔn)確性，離地球物理學(xué)家們的期望還有較大差距。

江門(mén)實(shí)驗(yàn)被寄予厚望

值得一提的是，粒子物理學(xué)者和地學(xué)家均將目光鎖定在中國(guó)的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)。

位于廣東省江門(mén)地下中微子實(shí)驗(yàn)(JUNO)將成為第四個(gè)探測(cè)到地球中微子的實(shí)驗(yàn)。JUNO于2015年開(kāi)始建設(shè)，計(jì)劃2019年底建成。JUNO的液閃為20千噸，是目前世界上最大的實(shí)驗(yàn)站的20倍。“江門(mén)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鼫?zhǔn)確地探測(cè)地球中微子，其實(shí)驗(yàn)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(xué)家進(jìn)一步研究地球演化模型。”中科院高能所所長(zhǎng)王貽芳院士在7月底召開(kāi)的“華南大陸邊緣地球科學(xué)—中微子科學(xué)交叉國(guó)際研討會(huì)”上曾表示。

“江門(mén)實(shí)驗(yàn)第一年將取到400個(gè)地球中微子事件，比現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)十年所取得的數(shù)據(jù)還要多。毫無(wú)疑問(wèn)，它具有高統(tǒng)計(jì)量、高能量精度測(cè)量地球中微子的能力，與其他地球中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)相比具有極大優(yōu)勢(shì)。”曹俊說(shuō)。

此外，利用反β衰變捕獲地球中微子，一方面無(wú)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(duì)于精確探測(cè)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(cè)器來(lái)研究地球放射性熱量，能有效探測(cè)鉀-40、地幔及地核中的中微子信號(hào)。該文作者提議使用充氣“時(shí)間投影探測(cè)器”，認(rèn)為該探測(cè)器能夠制造地球-中微子與探測(cè)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(cè)器的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)達(dá)到200噸。“這項(xiàng)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(xí)宇飛和她的同行們認(rèn)為。