地球中微子

地球中微子，又稱地中微子，是地球上天然存在的放射性核素衰變過程中產生的中微子或反中微子。中微子是目前人類已知的亞原子粒子中最輕的粒子。它不具有可測量的電磁特性，並且在忽略重力的情況下僅通過弱核力相互作用。物質對中微子幾乎是透明的，因此中微子可以以接近光速的速度暢通無阻地穿過地球內部。由於地球中微子攜帶著關於地球內部放射性同位素豐度的綜合信息，中微子地球物理學這一新興領域也隨之誕生。

具有地質學意義的產生反中微子和熱量的放射性衰變^[1]

${\displaystyle {\begin{array}{rclr}{\ce {^{238}_{92}U}}&{\ce {->}}&{\ce {^{206}_{82}Pb}}+8\alpha +6e^{-}+6{\bar {\nu }}_{e}&+\ 51.698\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{235}_{92}U}}&{\ce {->}}&{\ce {^{207}_{82}Pb}}+7\alpha +4e^{-}+4{\bar {\nu }}_{e}&+\ 46.402\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{232}_{90}Th}}&{\ce {->}}&{\ce {^{208}_{82}Pb}}+6\alpha +4e^{-}+4{\bar {\nu }}_{e}&+\ 42.652\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{40}_{19}K}}&{\ce {->[{89.3\,\%}]}}&{\ce {^{40}_{20}Ca}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}&+\ 1.311\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{40}_{19}K}}+e^{-}&{\ce {->[{10.7\,\%}]}}&{\ce {^{40}_{18}Ar}}+\nu _{e}&+\ 1.505\,{\ce {MeV}}\end{array}}}$

大多數地球中微子是反電中微子，主要產生於⁴⁰K、²³²Th和²³⁸U的β^-衰變過程。這些衰變鏈占現在地球內部產生的輻射熱的99%以上。不過，其中只有產生自²³²Th和²³⁸U衰變鏈的地球中微子可以通過自由質子上的逆β衰變機制檢測到，因為它們的能量均高於1.8 MeV的檢測閾值。在中微子實驗中，大型地下液體閃爍體探測器可以記錄這種相互作用產生的閃光。截至2022年，KamLAND、Borexino和SNO+等探測器均已投入使用，用以觀測收集地球中微子相關的數據。

歷史

地質學與地球物理學背景

在地球內部，熱量以大約47 TW的速度向外輻射。這個功率比地球表面接收到的太陽能功率的0.1%還小^[2]。地球內部的熱量變化主要是由地球內部的放射性同位素衰變、地球的長期冷卻、地球內核的增長（引力能和潛熱）以及其他過程造成的。其中，地球內部最重要的產熱元素是鈾（U）、釷（Th）和鉀（K）。由於關於它們在地球上的豐度仍然沒有確切的結論，因這些元素衰變而在地球內部產生的熱量的速率被估計為10 TW至30 TW不等^{[3][4][5][6][7]}。其中，有相當於約7 TW的熱量被認為產生於地殼之中。由於鈾、釷、鉀基本不存在於地核，所以剩下的熱量被認為產生於地函之中^[8]。

目前人類對地球內部成分的認識不足，反映了人類對地球的形成過程和與太陽系起源有著重大關係的球粒隕石等方面缺乏了解。如果對地球內部的鈾、釷和鉀的豐度有了更準確的了解，被認為可以提高人類對現代地球動力學和太陽系與地球的形成過程的認識。只使用傳統的地質學和地球物理學手法無法進一步獲得更為精確的地質豐度模型。與之相反，由於地球中微子與鈾、釷和鉀的豐度有著直接關係，因此對地球內部產生的地球中微子進行準確的計數後可以得到更為精準的地質豐度模型。除此之外，由於地函中的放射性同位素為地函對流提供動力，而地函對流為板塊構造提供動力，因此除了了解位於地球內部的放射性同位素的豐度之外，了解位於地函中的放射性同位素的數量及其空間分布也是十分重要的^[9]。由於上述現象與地震、火山等自然災害存在關聯，因此中微子地球物理學還被認為可以解明自然災害相關的問題^[10]。

地球中微子的預測和觀測

β−
衰變的費曼圖。中子經由
W−
玻色子衰變為質子、電子與反電中微子。

中微子的存在最先由沃爾夫岡·泡利在1930年假設提出，而到了1956年人類才首次檢測到核反應爐中產生的反中微子^[11]。此後，通過研究在地球內部產生的中微子來推斷地球成分的想法在20世紀60年代中期就已經存在了^[12]。1984年，勞倫斯·M·克勞斯、謝爾登·格拉肖和大衛·施拉姆發布了一篇論文，介紹了地球中微子通量的預測計算，並討論了探測這種粒子的可能性^[13]。

2005年，由東北大學中微子科學研究中心組成的KamLAND（日語：カムランド）團隊在日本岐阜縣設置的觀測器中首次觀測到了地球中微子，證實了這種粒子的存在^[14][15][16]。2010年，設立於義大利的格蘭薩索國家實驗室（英語：Laboratori Nazionali del Gran Sasso）也通過Borexino（英語：Borexino）發現了地球中微子^[17][18]。