---
title: "地中微子：粒子能告诉我们，地球为什么还在发热吗？ | Sandbox Physics"
description: "在反应堆旁用的成对信号方法，也能探测地球内部放射性衰变放出的反中微子。要把信号换算成地球的放射性热，既需要核数据，也要知道这些物质分布在哪里。"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/geoneutrinos-earth-radiogenic-heat/"
language: "zh-CN"
page_type: "story"
alternate_languages:
  en: "https://sandboxphysics.com/stories/neutrinos/geoneutrinos-earth-radiogenic-heat/"
last_modified: "2026-10-10"
---

[2026 年诺贝尔物理学奖](https://sandboxphysics.com/zh/nobel/2026/physics/)

# 地中微子：粒子能告诉我们，地球为什么还在发热吗？

在反应堆旁用的成对信号方法，也能探测地球内部放射性衰变放出的反中微子。要把信号换算成地球的放射性热，既需要核数据，也要知道这些物质分布在哪里。

Sandbox Physics · 2026-10-10 · 仪器与方法

## 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。

$$
E_{\bar\nu_e}^{\mathrm{threshold}}\simeq1.806\,\mathrm{MeV}
$$

反中微子打在静止自由质子上发生逆贝塔衰变的阈值。钾-40 贝塔衰变放出的反中微子低于这个阈值，所以入选样本直接探测到的，只有铀、钍链中能量够高的分支。

依据：[1] · [4] · [2]

1. 01 **入选反中微子**

   拟合铀、钍和本底

2. 02 **地质储库**

   估计地壳和岩石圈的贡献

3. 03 **放射性热**

   写明空间分布和核物理假设

一处探测器的事件，限制的是全地球的热模型。它不能直接给地幔成像，也测不出钾产生的热和原始热。

## 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]

## 我们由此知道了什么

地中微子能限定铀和钍衰变的贡献。要分开地壳和地幔，把一处测到的通量换算成全球热量，得依赖地质分布。常用的逆贝塔衰变样本，直接测不到钾产生的热，也测不到原始热。

## 在 Lab 中试一试

[反应堆符合探测](https://sandboxphysics.com/zh/labs/reactor-coincidence/)

## 一手来源与修订

1. [Fiorentini, Lissia & Mantovani · Geo-neutrinos and Earth’s interior (2007)](https://arxiv.org/abs/0707.3203)
2. [KamLAND Collaboration · Uranium and thorium abundances from geoneutrino spectroscopy (2022)](https://arxiv.org/abs/2205.14934)
3. [Borexino Collaboration · Comprehensive geoneutrino analysis (2019 preprint; 2020 publication)](https://arxiv.org/abs/1909.02257)
4. [Strumia & Vissani · Precise quasielastic neutrino/nucleon cross section (2003)](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0302055)

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。

[← 前篇：短基线反应堆：寻找随距离变化的能谱](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/short-baseline-reactor-sterile-tests/) [后篇：没法用磁场拐弯的粒子，怎样做成一束？ →](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/making-an-accelerator-neutrino-beam/)

## 继续阅读

中微子 · 阅读路径

### 从反应堆能谱，读到地球热源

1. [文章 **反应堆的反中微子能谱，从哪里来？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/reactor-antineutrino-spectrum-origins/)
2. [文章 **KamLAND：用地球上的反应堆，检验太阳之谜的答案**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/kamland-reactor-oscillations/)
3. [文章 **大亚湾：为什么要把近处和远处的探测器放在一起比较？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/daya-bay-near-far/)
4. [文章 **RENO 与 Double Chooz：为什么同一个混合角，要再测一次？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/reno-double-chooz-independent-mixing-tests/)
5. [文章 **JUNO：探测器那么大，为什么还要看清细小的能谱纹路？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/juno-fine-spectrum-and-mass-ordering/)
6. [文章 **反应堆总量异常与能谱隆起，问的是同一件事吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/reactor-anomaly-and-spectrum-bump/)
7. [文章 **短基线反应堆：寻找随距离变化的能谱**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/short-baseline-reactor-sterile-tests/)
8. [当前页面 **地中微子：粒子能告诉我们，地球为什么还在发热吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/geoneutrinos-earth-radiogenic-heat/)

中微子 · 专题

### 中微子探测器建在哪里，用什么做成

实验为什么要建到地下、海底和冰层深处？为什么有的用水，有的用闪烁体或液氩？

1. [文章 **探测器那么大，事件却那么少：读懂中微子的量级**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-energy-distance-and-counts/)
2. [文章 **Borexino：在充满放射性的世界里，怎样听见太阳？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/borexino-low-background-solar-neutrinos/)
3. [当前页面 **地中微子：粒子能告诉我们，地球为什么还在发热吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/geoneutrinos-earth-radiogenic-heat/)
4. [文章 **DUNE：液氩图像与长基线，要回答什么？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/dune-liquid-argon-and-long-baseline/)
5. [文章 **Hyper-K：更大的靶，还需要更精确的比较**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/hyper-kamiokande-mass-and-systematics/)
6. [文章 **IceCube：怎样把一立方公里的冰变成科学仪器？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/icecube-ice-sensors-and-calibration/)
7. [文章 **海、湖与冰：几座望远镜的互补天空**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-telescopes-complementary-sky/)
8. [文章 **双贝塔搜索：为什么要用几种不同的原子核？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/global-neutrinoless-double-beta-searches/)
9. [文章 **沿着世界地图，读中微子实验**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/global-neutrino-experiment-geography/)
10. [文章 **为什么把中微子实验放到矿井、海底与南极？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/underground-underwater-neutrino-sites/)
11. [文章 **水、闪烁体和液氩，各自能看到什么？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-detector-measurement-chains/)
12. [文章 **中微子测量中的工程贡献**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-calibration-engineering-software/)