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中微子告诉你地球内部热量的秘密
2017-09-14 07:35:39 来源: 科技日报
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  古灵精怪的中微子最近又要搞事情。不过这次,它和地球扯上了关系。

  科学家在近期发表的《自然通讯》杂志上撰文认为,最新方法可通过中微子来分析地球内部热量的准确来源。

  中微子这种极小的、虚无缥缈的粒子与地球有什么关系?科学家们又是如何通过它透露出的蛛丝马迹来研究地球内部秘密的?

  利用中微子研究地球是一门新兴学科

  在诞生几十亿年之后,我们居住的地球仍然是一颗内心炽热、表面温暖的星球。虽然我们直观感受到的来自地球内部的热量主要是温泉,但事实上,地球内部巨大的热量是驱动板块构造、地幔对流的动力,是推动整个地球发生发展和演化的动力。

  “地热的主要来源有地球早期残热和来自地壳、地幔的放射性元素衰变产生的热量。”中国地质科学院水文地质环境地质研究所习宇飞博士日前接受科技日报记者采访时表示,铀238、钍232、钾-40为地球内部主要放射性生热元素,这些元素在长期衰变过程中,释放出大量的能量,这是地热学的研究对象。

  习宇飞解释道,通过采集分析地面以下200公里以内的岩石样本,可以得知地壳中放射性元素产生的热量,但更深的地幔中放射性元素含量的估算争议很大。“地球科学家一直在寻找能够直接获得地幔放射性元素的手段。”

  德国的埃德于1966年第一次提出利用中微子研究地球内部成分的想法。“放射性元素释放出大量的中微子,这是粒子物理的研究对象。因此对于地球中微子的研究则是两者的交叉学科,通过对地球中微子的研究,可以获知地球内部尤其是来自地幔中的放射性元素的分布和总量,进而研究地球的形成、热演化等地学问题。”习宇飞说。

  利用地球中微子研究地球内部热量,也有利于研究石油、天然气、煤炭等矿产资源的形成规律,为找矿提供依据。

  目前探测到的地球中微子仅百余个

  然而“捕捉”地球中微子并不是件容易的事。这是因为,中微子个头小、不带电,质量非常轻,以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。

  中科院高能所研究员曹俊曾在一篇科普文章中写道:我们身边的中微子其实非常多,例如,一个典型的核反应堆每秒钟产生6万亿亿个中微子,每秒钟有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体,宇宙大爆炸的残余中微子更是在整个宇宙空间内多达330个每立方厘米。大多数核过程都会产生中微子,例如宇宙线轰击大气、岩石的天然放射性、超新星爆炸等等,连每个人都会因体内的钾-40衰变而每天产生4亿个中微子。

  这些中微子几乎自由地穿行,本身不能被探测,只有极少的一部分会被探测器捕获,变成可观测的粒子。

  “要获取地球中微子的数量,需要用探测到的总数剔除来自反应堆及其他途径的中微子。”曹俊说。

  但科学家们没有放弃努力。习宇飞告诉科技日报记者,目前世界上已有的地球中微子探测器都是通过反β衰变来捕获中微子的。人类首次提出利用地球中微子研究地球内部组成和能量是在20世纪80年代,首次捕捉到地球中微子是在2005年。

  “截至目前,全世界探测到的地球中微子数量一共也只有100余个。”曹俊说,目前的探测器无法确定来自地幔发射性元素产生的热量,也难以验证现有地球模型的准确性,离地球物理学家们的期望还有较大差距。

  江门实验被寄予厚望

  值得一提的是,粒子物理学者和地学家均将目光锁定在中国的江门中微子实验。

  位于广东省江门地下中微子实验(JUNO)将成为第四个探测到地球中微子的实验。JUNO于2015年开始建设,计划2019年底建成。JUNO的液闪为20千吨,是目前世界上最大的实验站的20倍。“江门实验能够更准确地探测地球中微子,其实验获得的数据将精确地反映地球内部铀和钍的含量及它们的比例,有助于地学家进一步研究地球演化模型。”中科院高能所所长王贻芳院士在7月底召开的“华南大陆边缘地球科学—中微子科学交叉国际研讨会”上曾表示。

  “江门实验第一年将取到400个地球中微子事件,比现有实验数十年所取得的数据还要多。毫无疑问,它具有高统计量、高能量精度测量地球中微子的能力,与其他地球中微子探测实验相比具有极大优势。”曹俊说。

  此外,利用反β衰变捕获地球中微子,一方面无法捕获钾-40释放的地球中微子;另一方面,不能反映地球中微子的方向,对于精确探测地球中微子具有一定的不足。

  《自然通讯》上这篇最新论文提出,利用电子中微子弹性散射和低本底、方向敏感的追踪探测器来研究地球放射性热量,能有效探测钾-40、地幔及地核中的中微子信号。该文作者提议使用充气“时间投影探测器”,认为该探测器能够制造地球-中微子与探测器内部气体碰撞的3D图像,并表示,为了首次精确地绘制地幔成分地图,该探测器的质量应当达到200吨。“这项前沿的工作提供了一种揭露地球内部能量的手段,目前依然处于构想阶段。”习宇飞和她的同行们认为。(记者 操秀英)

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【纠错】 责任编辑: 陈梦瑶
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