地球中微子：来自地球深部的信使|163

我国国际领先的江门中微子实验站将是世界上最大的地球中微子探测站，充分利用它可望帮助精确估算地幔Th/U比值、地幔放射性生成热、地球放射性元素衰变对地球热能的贡献，以及定量研究地球热演化历史和地幔对流的驱动力（板块构造、地幔柱等），并推动国内中微子地球科学研究的交叉领域发展。

中微子是构成物质世界最基本的单元之一，在自然界广泛存在。中微子科学一直是物理学以及相关交叉学科的研究热点，1988年、1995年、2002年和2015年四次诺贝尔物理学奖均颁给了对中微子性质的研究。我国大亚湾反应堆中微子实验于2012年3月取得了发现第三种中微子振荡模式的世界瞩目的重大成果。正在建设中的江门中微子实验站（JUNO）是我国的第二个大型中微子实验站。实验使用2万吨的液体闪烁体，预期将会在对反应堆中微子、地球中微子、超新星中微子、太阳中微子等方面取得世界领先的研究成果。此外，正在扩建的我国四川锦屏地下实验室二期也有望建设中微子观测站。锦屏实验站远离核电站，是对太阳中微子和地球中微子研究的绝佳位置，引起了全世界的广泛关注。

JUNO实验站地理位置

地球中微子（geo-neutrino）是地球内部天然放射性元素β-衰变产生的反电子中微子，其中起主导作用的是238U、232Th和40K。这三种同位素在衰变过程中同时释放出能量和地球中微子，也被称为生热元素（HGEs）。每种元素中地球中微子的通量和产生的能量成固定比例，因此通过测量地球中微子的通量可以获得放射性元素在地球内部的分布及其放射性生成热的信息。

地表热流通量来源分布图。地球热损失总量和地壳生热量基本确定，但其他各项贡献争议很大

地球中微子研究是一个新兴的前沿交叉领域，汇集了地球物理、地球化学和粒子物理等学科。国际上地球中微子的前沿学科发展，已有十余年的历史，培养出了一批经验丰富的交叉学科队伍，也已经取得了一些领先成果：2005年，位于日本的KamLAND实验组第一次给出了捕捉到地球中微子的信号，相关成果发表在Nature上，并被选为当期的封面文章。随后，位于意大利Gran Sasso国家实验室的BOREXINO合作组，也公布了探测到的地球中微子的信号。2015年，Usman等利用全球CRUST1.0模型，通过分析研究KamLAND和BOREXINO的两个探测器提供的数据以及国际原子能机构从400个核反应堆中收集的反应堆数据，绘制出一幅全球反电子中微子地图。

JUNO作为世界上最大的地球中微子探测器，其体积是目前其他地球中微子探测器的20倍，它第一年获取的地球中微子数据比现有实验十多年所取得的数据总和还要多。这样，JUNO大统计量、高精度的数据将以独一无二的优势帮助解决以下几个科学问题：（1）放射性元素衰变对地球热能的贡献；（2）检验有关地球内部结构的不同地球化学模型；（3）测量地幔Th/U比值；（4）测量来自地幔的放射性生成热等。另外，对地幔中微子的深入研究需结合地球科学手段建立实验站附近的精细三维地壳模型。根据地质、地球物理和地球化学研究得到的精细三维地壳模型，还可为实验站周围区域的地质科学问题提供一定的帮助。

我国具有国际领先的大型中微子实验装置，地球中微子学科又处于科学前沿领域，但是我国还没有建立起经验丰富并具有国际竞争力的地球中微子科研队伍，这将会影响取得国际影响力成果的主导地位。因此建立一支交叉学科的队伍、培养一批交叉学科人才是当务之急。这不仅是为国内开展地球中微子研究开辟局面，扩展地球科学研究的新手段，也将为我国和世界深地实验的多学科发展提供后备力量。

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韩然, 牛耀龄, 李玉峰, 等. 地球中微子: 来自地球深部的信使. 科学通报, 2018, 63: 2853~2862.

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