地中微子：粒子能告诉我们，地球为什么还在发热吗？

放射性衰变只是地球热量的一部分

地球散发的热，一部分是形成和分异时期留下的，一部分来自至今仍未停止的放射性衰变。两者来源不同。今天从地表流出的热，本身并不能告诉我们地球里有多少铀、钍或钾。

铀、钍衰变链里的贝塔衰变放出电子反中微子，其余能量留在岩石里。反中微子只参与弱相互作用，即使从地球深处也能跑到探测器。热和反中微子出自同一批衰变，所以在给定衰变链假设后，核数据能把粒子和放射性热联系起来。

反中微子带走一部分衰变能，这部分不会加热岩石。所以换算热量时，要用真正沉积下来的能量，不能简单拿计数乘以总衰变能。还要分清衰变链的活度和母核素的丰度。

依据：[1] · [2] · [3]

成对信号只能抓到一部分反中微子

日本的 KamLAND 和意大利的 Borexino 都用逆贝塔衰变：先是正电子的即时信号，随后是中子俘获。要求信号成对出现，可以去掉许多单脉冲本底。但这个方法有能量阈值，效率也有限，记录不到地球里产生的每个反中微子。

铀、钍衰变链中有部分分支放出的反中微子超过阈值，钾-40 贝塔衰变放出的则达不到。所以钾贡献的热，需要另作假设或换一种测量通道。样本里没有，不等于地球里没有。

入选的铀、钍信号在即时能量上相互重叠，只是最高能量不同。统计量和本底条件允许时，拟合能谱可以分开两者的产额。但单个事件或总计数，都认不出每次作用来自地球哪一层、哪条衰变链。

依据：[1] · [4] · [2]

研究地球时，反应堆成了本底

反应堆反中微子发生的是同一种相互作用，能量也落进地中微子的范围。预期有多少，取决于各反应堆的运行历史、能谱、距离和振荡。原本研究反应堆的探测器，转而研究地球时，必须为这个熟悉的来源建模。

KamLAND 2022 年的地中微子分析，得益于 2011 年之后日本反应堆长时间大幅减少运行。信号和本底的比例因此改变，但本底并没有全部消失，地球的贡献仍要靠拟合才能提取。

Borexino 的综合分析 2019 年先出预印本，2020 年正式发表。它把反应堆贡献作为拟合中的一个成分，并控制了偶然符合本底和宇宙线产生的本底。不同实验室周围的反应堆和当地地质都不同，可以互相检验，测得的通量也不必完全一样。

依据：[2] · [3]

要读远处地幔，先理解附近地壳

探测器测的是一个地点的通量，是来自各个方向、各种距离的贡献之和。附近的放射性物质贡献可能很大，因为小源的通量随距离的平方衰减。大陆地壳又富含产热元素，所以当地岩石的成分格外重要。

要推断地幔的贡献，得先用地质调查和成分模型，连同误差，预测地壳及岩石圈其他部分的贡献。如果从拟合总量里减去一个看似精确的数字，就把这部分不确定性藏起来了。地幔的结果必须同时带上粒子测量误差和地质误差。

全球总热量相同，物质分布不同，某一地点的通量也会不同：离探测器近的物质，分量比深处的物质重。所以从通量换算到瓦特，需要一个空间分布模型；这些数据并不是地球内部的清晰照片。

依据：[1] · [2] · [3]

热量推断，必须带着地球模型一起读

KamLAND 2022 年的论文报告：假设产热元素在地幔中均匀分布，“地球热量全部来自放射性”的模型与数据严重不符。这个分布假设是结论的一部分。去掉假设、却照样引用不符的程度，就把一项有条件的模型检验，说成了分析并不支持的更大结论。

Borexino 2020 年的分析，用自己的岩石圈模型把地幔信号换算成热量；估计放射性总热时，还加上了假定的钾贡献。比较两家的结果，要对齐储库划分、成分假设和误差。单位都是瓦特，并不说明两项推断是一回事。

尽管如此，地中微子还是让人能用粒子直接探测地球内部的放射性活动。更多的探测地点和更好的地壳数据，能把各储库分得更清楚。收获是对地球能量来源的新限制；原始冷却和这种方法看不到的衰变，仍要另行估算。

依据：[2] · [3] · [1]

在 Lab 中试一试

一手来源与修订

1. Fiorentini, Lissia & Mantovani · Geo-neutrinos and Earth’s interior (2007)
2. KamLAND Collaboration · Uranium and thorium abundances from geoneutrino spectroscopy (2022)
3. Borexino Collaboration · Comprehensive geoneutrino analysis (2019 preprint; 2020 publication)
4. Strumia & Vissani · Precise quasielastic neutrino/nucleon cross section (2003)

2026-10-10 首发；2026-10-10 最后修订。解释文字与图解由 Sandbox Physics 原创；插图为示意，不复刻实验事件记录。本专题为独立教育内容，并非诺奖机构或实验合作组的官方出版物。