地球中微子

geoneutrino 是在地球上自然产生的放射性核素衰变中发射的中微子或反中微子。 中微子是已知亚原子粒子中最轻的一种，缺乏可测量的电磁特性，并且在忽略引力时仅通过弱核力相互作用。 物质对中微子来说几乎是透明的，因此它们从发射点以接近光速的速度不受阻碍地穿过地球。 总的来说，geoneutrinos 携带有关地球内部放射源丰度的综合信息。 中微子地球物理学这个新兴领域的一个主要目标是从对中微子的测量中提取有用的地质信息（例如，产生中微子的单个元素的丰度及其在地球内部的空间分布）。 来自 Borexino 合作组织的分析师已经能够获得 53 个源自地球内部的中微子事件。

大多数地球中微子是电子反中微子，起源于 ; vertical-align: baseline;"> 40K、232Th 和 238U 的衰变分支。 这些衰变链加起来占当今地球内部产生的放射性热的 99% 以上。 只有来自 232Th 和 238U 衰变链的正中微子可以通过自由质子上的逆 β 衰变机制检测到，因为它们的能量高于相应的阈值 (1.8 MeV)。 在中微子实验中，大型地下液体闪烁体探测器记录了这种相互作用产生的闪光。 正如 KamLAND 和 Borexino 合作报告的那样，截至 2016 年，在两个地点进行的中微子测量已经开始限制地球内部的辐射热量。 第三个探测器（SNO+）预计将于 2017 年开始收集数据。JUNO 实验正在华南建设中。 计划在中国锦屏地下实验室进行另一项中微子探测实验。

中微子是沃尔夫冈·泡利 (Wolfgang Pauli) 于 1930 年提出的假设。 核反应堆中产生的反中微子的首次检测于 1956 年得到证实。研究地质产生的中微子以推断地球成分的想法至少从 20 世纪 60 年代中期就已经出现。 在 1984 年具有里程碑意义的论文 Krauss, Glashow & 施拉姆介绍了预测的中微子通量的计算结果，并讨论了检测的可能性。 2005 年，日本神冈天文台的 KamLAND 实验首次报告了对地球中微子的探测。 2010 年，意大利格兰萨索国家实验室的 Borexino 实验公布了他们对中微子的测量结果。 KamLAND 的更新结果于 2011 年和 2013 年发布，Borexino 于 2013 年和 2015 年发布。

地球内部以大约 47 TW（太瓦）的速率辐射热量，不到入射太阳能的 0.1%。 这种热损失的部分原因是地球内部放射性同位素衰变时产生的热量。 剩余的热量损失是由于地球的长期冷却、地球内核的生长（重力能量和潜热贡献）和其他过程。 最重要的发热元素是铀 (U)、钍 (Th) 和钾 (K)。 关于它们在地球上的丰度的争论尚未结束。 存在各种成分估计，其中总的地球内部辐射加热率范围从低至 ~10 TW 到高达 ~30 TW。 大约7TW的产热元素存在于地壳中，其余的能量分布在地幔中； 地核中 U、Th 和 K 的含量可能可以忽略不计。 地幔中的放射性为地幔对流提供内部加热，这是板块构造的驱动力。

地幔放射性的数量及其空间分布——地幔的成分在大范围内是均匀的还是由不同的储层组成？——对地球物理学很重要。

现有的地球成分估计范围反映了我们对促成其形成的过程和组成部分（球粒陨石）缺乏了解。 更准确地了解地球内部的 U、Th 和 K 丰度将提高我们对当今地球动力学和早期太阳系地球形成的理解。 计算地球产生的反中微子可以限制地质丰度模型。 弱相互作用的中微子携带着有关其发射体的丰度和在整个地球体积（包括地球深处）中的位置的信息。 从中微子测量中提取有关地幔的成分信息很困难，但有可能。 它需要将地球化学和地球物理模式的地中微子实验数据综合起来。