中微子探测地幔放射性生热
中微子由于其具有的特殊性质,可以用在地球科学上来解决有关地球放射性生热相关的问题。
在分类上,我们常常把地球、太阳、大气中产生的中微子分别称为地球中微子、太阳中微子、和大气中微子。地球中微子是由地球内部放射性元素衰变产生,最主要的放射性生热元素为U、Th、K,这三种元素也被称为生热元素。
上面几个反应式即为U、Th、K发生衰变产生中微子的过程,衰败产生的都是电子反中微子,只有K40经过电子捕获才能产生电子中微子。
那么如何探测衰败产生的中微子呢?目前可以用于探测低能的地球中微子的探测器有日本的KamLand,加拿大的SNO+,意大利的Granss探测器,还有目前中国江门正在建造的探测器JUNO。这些大型的中微子探测器的主要目的式测量中微子的物理参数,次要目标才是用于诸如地球科学领域。因此,这些探测器设计的时候是使用反β衰变反应来检测反中微子,只能探测U、Th产生的电子型反中微子。并且,由于反β衰变反应中需要反中微子大于1.8Mev才能参与反应,因此只能探测到U、Th产生的中微子。
反β衰变:
p:质子,n中子,e+正电子
我们知道了可以利用反中微子来探测放射性元素,那么如何来解决地幔放射性生热问题呢?
地幔放射性生热问题,即放射性元素是如何在地幔中分布的,数量是多少?为了回答这个问题,不同的学者提出了不同的地球模型,即BSE模型。
上表是不同的地球模型,包括宇宙化学(低Q:11±2TW),地球化学(中Q:20±4TW),地球动力学(高Q: 33±4TW)(这里Q是指总的放射性生热)。
因此要解决地幔放射性生热的问题,就是检验不同的BSE模型。
探测器探测到的来自于地球放射性元素的中微子信号有两部分,分别来自地壳和地幔。
S(total)=S(crust)+S(mantle),要得到地幔的信号,就必须先得到地壳的中微子信号,总的信号我们可以通过探测器测量到。如何得到地壳的中微子信号呢?我们可以根据地壳的地球物理模型和地球化学模型来重建地壳模型。而地幔我们由于没有足够的地球化学样本和地球物理测量具有较大的不确定度,因而通过这种方法具有极其大的不确定性。
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