论文笔记：Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements

论文信息

• 论文标题：The KamLAND Collaboration. (2011). Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements. Nature Geoscience, 4, 647–651.
• doi链接：https://doi.org/10.1038/ngeo1205

阅读背景

截至目前，研究者们已通过地球物理手法了解到了地球内部的大致构造。然而，地球内部的热源从何而来？放射性元素对地球内部热源的贡献有多大？诸如此类的问题至今仍未被很好解答。甚至，在可预计的未来，这些问题都不能被传统地球物理手法解答。日本东北大学中微子科学研究中心（RCNS，Recearch Center for Neutrino Science, Tohoku University）的KamLAND（神冈液态闪烁体反中微子探测器）团队则另辟蹊径，尝试通过观测地球内部的放射性元素衰变时产生的地球中微子（geoneutrino）来回答上述问题。

中微子（neutrino）是目前人类已知的亚原子粒子中最轻的粒子。它不具有可测量的电磁特性，并且在忽略重力的情况下仅通过弱核力相互作用。物质对中微子几乎是透明的，因此中微子可以以接近光速的速度畅通无阻地穿过地球内部。这也意味着，观测地球中微子是一件十分艰难的事情。在“论文总结”一章中大家可以了解到，在数亿亿亿亿次中微子捕捉事件中，可能只有一百多个才与地球中微子有关。因此，虽然地球中微子这一概念早在20世纪60年代就被一些物理学家提出，但它的真身直至2005年才终于被KamLAND团队宣布首次观测到。

由于我本人对物理学和地球物理学都十分抱有兴趣，并且大概只剩下半年时间就要到分配研究室的时期了，因此在暑假阅读了一些相关的论文。现将最近阅读的KamLAND团队于2011年发布的关于地球中微子研究的论文分享于此。

论文总结

本论文主要介绍了根据地球中微子的连续观测结果推算地球内部放射性热源含量的成果。KamLAND团队于2002年3月至2009年11月间进行了长达2135天的中微子连续观测，最终观测到了(3.49±0.07)×10³²次中微子捕捉事件。然而，经过控制能量范围和排除底噪和周边原子能设施的影响等一系列筛选过程后，最终仅有111(+45; -43)个中微子捕捉事件被认为与地球中微子有关。

即便观测到的地球中微子的数量很少，但根据现有的地球内部模型，KamLAND团队推测出其中的65个地球中微子来自238-U，33个地球中微子来自232-Th。该团队结合意大利Borexino探测器的结果，在地球内部的发热总功率（约46±3 TW）中，认为约有20.0(+8.8; -8.6) TW的热来自于地幔中的238-U和232-Th。关于同样被认为是地球内部占比较大的放射性热源40-K，由于其衰变链释放的反中微子所携带的能量远低于当时世界上仅有的几个中微子观测设施的观测阈值，因此该团队未能求出40-K的发热功率。此外，该团队通过比对多个地球内部模型，最终认为在68%置信水平上的尤里比（Urey ratio，指放射性热能占全地球热能的比值）为0.18至0.67，验证了地球内部并非是均一放射性模型，而是一种具有对流性地幔的模型。这一结果与传统地球物理学结果相吻合。

该团队在文章末尾提及到，只有进一步消除观测设施周边的原子能设施带来的影响，进一步提升观测设施的观测能力，并在世界各地（尤其是地壳厚度较小的海洋板块之上的地方）建设更多的观测设施，才能对地球中微子有更加精确的观测，从而对地球内部热起源问题有进一步的认识。

语言用法

• KamLAND = Kamioka Liquid-Scintillator Antineutrino Detector – （日本）神冈液态闪烁体反中微子探测器
• Borexino – （意大利）博雷希诺、太阳中微子实验
• SNO = Sudbury Neutrino Observatory – （美国）萨德伯里中微子天文台
• residual primordial heat – 残余原始热
• 13C(α,n)16O reaction – 16O + 1n → 13C + α(4He)的反应
• BSE model = bulk silicate Earth model – 硅酸盐地球模型
• two-flavour oscillation formula – 双味振荡公式
• charge-parity-time (CPT) symmetry – 时间-电荷-宇称对称
• sunken-layer hypothesis – 下沉层模型（假设地球内所有U和Th都存在于古登堡界面的地球模型）
• Urey ratio – 尤里比（放射性热能占全地球热能的比值）
• convective Urey ratio – 对流尤里比（地幔中的放射性热能占全地球热能的比值）
• chondritic meteorites – 球粒陨石