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{| class="wikitable floatright" style="margin-left: 2em;"
|+ 具有地质学意义的产生反中微子和热量的放射性衰变<ref name=dye12>{{cite journal|last=Dye|first=S. T.|title=Geoneutrinos and the radioactive power of the Earth|journal=Rev. Geophys.|year=2012|volume=50|issue=3|pages=RG3007|doi=10.1029/2012RG000400|bibcode=2012RvGeo..50.3007D|arxiv = 1111.6099 |s2cid=118667366 |language=en }}</ref>
|-
| <math chem>
\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}
</math>
|}
'''地球中微子'''，又称'''地中微子'''，是[[地球]]上天然存在的[[放射性同位素|放射性核素]]衰变过程中产生的[[中微子]]或[[反中微子]]。中微子是目前人类已知的[[次原子粒子|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[[弱相互作用|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。由于地球中微子携带着关于地球内部放射性同位素丰度的综合信息，'''中微子地球物理学'''这一新兴领域也随之诞生。

大多数地球中微子是反电中微子，主要产生于[[钾-40|<sup>40</sup>K]]、<sup>232</sup>Th和[[鈾-238|<sup>238</sup>U]]的β<sup>-</sup>衰变过程。这些[[衰變鏈|衰变链]]占现在地球内部产生的辐射热的99%以上。不过，其中只有产生自<sup>232</sup>Th和<sup>238</sup>U衰变链的地球中微子可以通过自由质子上的逆β衰变机制检测到，因为它们的能量均高于1.8 [[電子伏特|MeV]]的检测阈值。在中微子实验中，大型地下液体[[闪烁体探测器]]可以记录这种相互作用产生的闪光。截至2022年，[[神冈液体闪烁体反中微子探测器|KamLAND]]、[[博雷西诺|Borexino]]和[[SNO+]]等探测器均已投入使用，用以观测收集地球中微子相关的数据。

== 历史 ==
=== 地质学与地球物理学背景 ===
在[[地球]]内部，热量以大约47 [[瓦特#太瓦|TW]]的速度向外辐射。这个功率比地球表面接收到的[[太阳能]]功率的0.1%还小<ref name=davies10>{{cite journal|last=Davies|first=J. H.|author2=Davies, D. R.|title=Earth's surface heat flux|journal=Solid Earth|year=2010|volume=1|issue=1|pages=5–24|doi=10.5194/se-1-5-2010|bibcode=2010SolE....1....5D|url=http://orca.cf.ac.uk/9397/1/EARTH_Huw_Davies_2010a.pdf|doi-access=free|language=en|access-date=2022-09-10|archive-date=2021-05-06|archive-url=https://web.archive.org/web/20210506015457/https://orca.cf.ac.uk/9397/1/EARTH_Huw_Davies_2010a.pdf|dead-url=no}}</ref>。地球内部的热量变化主要是由地球内部的[[放射性同位素]][[衰变]]、地球的长期冷却、地球[[内核]]的增长（[[引力能]]和[[潜热]]）以及其他过程造成的。其中，地球内部最重要的产热元素是[[铀]]（U）、[[钍]]（Th）和[[钾]]（K）。由于关于它们在地球上的丰度仍然没有确切的结论，因这些元素衰变而在地球内部产生的热量的速率被估计为10 TW至30 TW不等<ref name=javoy10>{{cite journal|last=Javoy|first=M.|title=The chemical composition of the Earth: Enstatite chondrite models|journal=Earth and Planetary Science Letters|year=2010|volume=293|issue=3–4|pages=259–268|doi=10.1016/j.epsl.2010.02.033|bibcode=2010E&PSL.293..259J|display-authors=etal|language=en}}</ref><ref name=TS02>{{cite book|last=Turcotte|first=D. L.|title=Geodynamics, Applications of Continuum Physics to Geological Problems|year=2002|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0521666244|author2=Schubert, G.|language=en}}</ref><ref name=oneill03>{{cite journal|last=Palme|first=H.|author2=O'Neill, H. St. C.|title=Cosmochemical estimates of mantle composition|year=2003|volume= 2|journal=Treatise on Geochemistry|issue=ch. 2.01|pages=1–38|doi=10.1016/B0-08-043751-6/02177-0|bibcode = 2003TrGeo...2....1P |language=en}}</ref><ref name=hart86>{{cite journal|last=Hart|first=S. R.|author2=Zindler, A.|title=In search of a bulk-Earth composition|language=en|journal=Chemical Geology|year=1986|volume=57|issue=3–4|pages=247–267|doi=10.1016/0009-2541(86)90053-7|bibcode = 1986ChGeo..57..247H }}</ref><ref name=mcdonough95>{{cite journal|last=McDonough|first=W. F.|author2=Sun, S.-s.|title=The composition of the Earth|journal=Chemical Geology|year=1995|volume=120|language=en|issue=3–4|pages=223–253|doi=10.1016/0009-2541(94)00140-4|bibcode = 1995ChGeo.120..223M }}</ref>。其中，有相当于约7 TW的热量被认为产生于[[地壳]]之中。由于铀、钍、钾基本不存在于[[地核]]，所以剩下的热量被认为产生于[[地幔]]之中<ref name=huang13>{{cite arXiv|last=Huang|first=Y.|author2=Chubakov, V. |author3=Mantovani, M. |author4=Rudnick, R. L. |author5= McDonough, W. F. |title=A reference Earth model for the heat producing elements and associated geoneutrino flux|year=2013|eprint=1301.0365|class=physics.geo-ph |language=en}}</ref>。

目前人类对地球内部成分的认识不足，反映了人类对[[地球]]的形成过程和与[[太阳系]]起源有着重大关系的[[球粒陨石]]等方面缺乏了解。如果对地球内部的[[铀]]、[[钍]]和[[钾]]的丰度有了更准确的了解，被认为可以提高人类对现代[[地球动力学]]和[[太阳系]]与[[地球]]的形成过程的认识。只使用传统的[[地质学]]和[[地球物理学]]手法无法进一步获得更为精确的地质丰度模型。与之相反，由于地球中微子与铀、钍和钾的丰度有着直接关系，因此对地球内部产生的地球中微子进行准确的计数后可以得到更为精准的地质丰度模型。除此之外，由于[[地幔]]中的放射性同位素为[[地幔对流]]提供动力，而地幔对流为[[板块构造]]提供动力，因此除了了解位于地球内部的放射性同位素的丰度之外，了解位于地幔中的放射性同位素的数量及其空间分布也是十分重要的<ref name=hanohano08>{{cite book|last=Learned|first=J. G.|author2=Dye, S. T. |author3=Pakvasa, S. |chapter=Hanohano: A Deep Ocean Anti-Neutrino Detector for Unique Neutrino Physics and Geophysics Studies|year=2008|title=Proceedings of the Twelfth International Workshop on Neutrino Telescopes, Venice, March 2007|arxiv=0810.4975|bibcode = 2008arXiv0810.4975L |language=en }}</ref>。由于上述现象与[[地震]]、[[火山]]等[[自然灾害]]存在关联，因此中微子地球物理学还被认为可以解明自然灾害相关的问题<ref>{{Cite journal|author=井上邦雄 |script-title=ja:地球内部を診断するニュートリノ観測 |journal=理科通信サイエンスネット |language=ja |pages=2-5 |volume=47 |year=2013 }}</ref>。

=== 地球中微子的预测和观测 ===
[[File:Beta Negative Decay.svg|thumb|{{SubatomicParticle|Beta-}}衰变的[[费曼图]]。中子经由[[W子|{{SubatomicParticle|W boson-}}玻色子]]衰变为质子、电子与反电中微子。]]
[[中微子]]的存在最先由[[沃尔夫冈·泡利]]在1930年假设提出，而到了1956年人类才首次检测到[[核反应堆]]中产生的[[反中微子]]<ref name=cowan56>{{cite journal|last=Cowan|first=C. L.|author2=Reines, F. |author3=Harrison, F. B. |author4=Kruse, H. W. |author5= McGuire, A. D. |title=Detection of the free neutrino: a confirmation|url=https://archive.org/details/sim_science_1956-07-20_124_3212/page/n5|journal=[[Science]]|year=1956|volume=124|issue=3212|pages=103–662|doi=10.1126/science.124.3212.103|pmid=17796274|bibcode = 1956Sci...124..103C |language=en }}</ref>。此后，通过研究在[[地球]]内部产生的中微子来推断地球成分的想法在20世纪60年代中期就已经存在了<ref name=eder66>{{cite journal|last=Eder|first=G.|title=Terrestrial neutrinos|journal=Nuclear Physics|year=1966|volume=78|issue=3|pages=657–662|doi=10.1016/0029-5582(66)90903-5|bibcode = 1966NucPh..78..657E |language=en }}</ref>。1984年，[[劳伦斯·M·克劳斯]]、[[谢尔登·格拉肖]]和[[大卫·施拉姆 (天文学家)|大卫·施拉姆]]发布了一篇论文，介绍了地球中微子通量的预测计算，并讨论了探测这种粒子的可能性<ref name=krauss84>{{cite journal|last=Krauss|first=L. M.|author2=Glashow, S. L. |author3=Schramm, D. N. |title=Antineutrino astronomy and geophysics|journal=[[Nature]]|year=1984|volume=310|issue=5974|pages=191–198|doi=10.1038/310191a0|bibcode = 1984Natur.310..191K |s2cid=4235872 |language=en }}</ref>。

2005年，由[[东北大学中微子科学研究中心]]组成的{{link-ja|KamLAND|カムランド}}团队在[[日本]][[岐阜县]]设置的观测器中首次观测到了地球中微子，证实了这种粒子的存在<ref name=araki05>{{cite journal|last=Araki|first=T|title=Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND|journal=[[Nature]]|year=2005|volume=436|issue=7050|pages=499–503|doi=10.1038/nature03980|pmid=16049478|bibcode = 2005Natur.436..499A |language=en |s2cid=4367737|display-authors=etal}}</ref><ref name=nyt05>{{cite news|last=Overbye|first=D.|title=Baby Oil and Benzene Provide Look at Earth's Radioactivity|url=https://www.nytimes.com/2005/07/28/science/28neutrino.html|accessdate=2013-01-09|newspaper=[[纽约时报]]|date=2005-07-28 |language=en }}</ref><ref>{{Cite journal|author=渡辺寛子 |script-title=ja:KamLAND における地球ニュートリノ観測の最新結果 |journal=日本物理学会講演概要集 |volume=75 |issue=1 |publisher=一般社団法人 日本物理学会 |year=2020 |language=ja |doi=10.11316/jpsgaiyo.75.1.0_86 }}</ref>。2010年，设立于[[意大利]]的{{link-en|格兰萨索国家实验室|Laboratori Nazionali del Gran Sasso}}也通过{{link-en|Borexino|Borexino}}发现了地球中微子<ref name=bellini10>{{cite journal|last=Borexino Collaboration|title=Observation of geo-neutrinos|journal=Physics Letters B|year=2010|volume=687|issue=4–5|pages=299–304|doi=10.1016/j.physletb.2010.03.051|arxiv = 1003.0284 |bibcode = 2010PhLB..687..299B |language=en}}</ref><ref name=physorg10>{{cite news|last=Edwards|first=L.|title=Borexino experiment detects geo-neutrinos|url=http://phys.org/news187946006.html|accessdate=2013-01-09|newspaper=PhysOrg.com|date=2010-03-16|language=en|archive-date=2015-01-19|archive-url=https://web.archive.org/web/20150119004539/http://phys.org/news187946006.html|dead-url=no}}</ref>。

== 参考来源 ==
{{reflist|3}}

[[Category:中微子]]
[[Category:地球物理学]]