elusive “地中微子”绘制地球内部易变的新地图
本文的初版 载于 Quanta Magazine。
在地下 2 公里处的实验室里，起重机将检测器技术员 Matt Depatie 通过舱口降入一座白墙洞窟。洞窟中灌满了约 7000 吨超纯水，在灯光下泛着和雨刮水一样蓝的光芒。Depatie 踩进下方等着他的充气筏时，对着无线电喊了一句：“Splashdown（入水啦）。”
通常，这座洞窟是地球上最黑暗的地方之一，但今天为了维护，灯光全开，让我们难得有机会看到内部。我从舱口往里看，Depatie 正划着筏子过去检查水中那个房子大小的探测器。它专为捕捉物理已知最难以捉摸的粒子之一——中微子（neutrino）而设计。
这就是 SNO+ 中微子实验，埋藏在加拿大萨德伯里 Snolab 地下物理实验室内的 Creighton 矿井深处。SNO+ 由一个丙烯酸球构成，球内衬有近 10,000 个高灵敏度光探测器，并注入了 780 吨油状液体闪烁体，受高能粒子激发时会闪烁发光。装置周围的水层和上方的岩层像盾牌一样，滤去宇宙射线的强光，让那些较少见的粒子相互作用发出的微弱闪光得以显现。
我们从地面下来的整段旅程，其实是为了维持那种绝对的黑暗——甚至比可见光波段更彻底的黑暗。沿主竖井下行、穿过岩石隧道到达实验室时，我们的身体和衣物沾染了微量放射性氡尘。进入主实验室前，我们扔掉了矿井工作服，冲澡并换上电蓝色的连体服和发网，以尽量减少带进去的污染。换衣服时 Depatie 说：“冲澡不是为了你们，是为了科学。”
Matt Depatie（左）参与维护 SNO+ 探测器，该探测器复用了 1999 至 2006 年间运行的 SNO 实验的部分组件。
摄影：James Dinneen当你想抓住“幽灵”时，这种极端手段是必需的——而这里所说的幽灵，或许能帮我们揭示地球深处那些无法抵达区域的秘密。
中微子是所有有质量的粒子中数量最多的一种，但质量极小，只有电子的百万分之一。正因质量微不足道、又不带电荷，它们几乎不与其他物质发生相互作用。每秒有数以万亿计的中微子——大部分来自太阳——穿过我们的身体，但即便研究者用 SNO+ 这类探测器多年苦心搜寻，也只捕获了几十万次珍贵的闪烁信号。
还有更难捉摸的：地质中微子。经过几十年的搜寻，科学家迄今也只探测到了几百个。
地质中微子产生于给地球内部加热的过程中。这种热量对驱动地幔中的岩石流动至关重要，而地幔对流又塑造了从板块运动到地球磁场的一切。地球内部的热量主要来自两方面：一是行星形成时残留的热量，二是地幔和地壳岩石中铀、钍、钾衰变产生的热量。如果没有后一种来源，地球早就冷却成一个构造活动彻底停摆的死寂星球了。
SNO+ 实验装置位于地下深处，被 2 公里厚的岩层包裹，以此屏蔽宇宙射线的干扰。
Courtesy of Leo Duquette/SNOLAB通过计数地球中微子，物理学家能够直接测量地球内部主要的产热元素。安大略省女王大学（Queen’s University）粒子天体物理学家、SNO+ 项目成员 Ryan Bayes 表示：“这是我们工作中唯一关注地球本身的部分，其他所有研究都更多地聚焦于来自宇宙其他角落的信号。”
地球中微子的首次探测于 2005 年报道，来自日本名为 Kamland 的探测器。2009 年，意大利的 Borexino 探测器报告捕获了数十个额外事例。2025 年 11 月，SNO+ 报告了首次探测结果，将观测到的地球中微子总数增加了约 50 个。
SNO+ 此次探测的特殊之处在于其地理位置：这是西半球首次测量到地球中微子，为了解地球放射性内部结构提供了全新视角。
在解读这些实验结果时仍存在较大不确定性，但研究人员目前的最佳估计表明，不同站点测得的通量各不相同。SNO+ 合作组负责人、安大略省女王大学粒子天体物理学家 Mark Chen 表示：“这可能是地幔并非均匀分布的最初迹象。”
地质化学家长期以来传统上认为，放射性元素在地幔中分布均匀，因为流动的岩石会将所有内容混合在一起。但不同地点的地球中微子测量结果可能暗示，情况并非如此。
产生大量地球中微子的区域，大致位于两类超大陆尺度的异常热点致密物质团上方。这些物质团被称为大型低剪切速度异常区（LLSVP），地震学家已在地球核心两侧绘制了它们的分布图：一个在非洲之下，另一个在太平洋之下。“地幔中可能存在着尚未被充分理解的深层结构，”陈表示，“也许它们正在富集某些特定元素。”
未来，中微子或许能为这些深层结构的形成之谜，以及支撑地球系统诸多特征的更广泛的地幔对流模式提供新的洞察。“这确实可以绘制出地球内部化学成分分布图，”中国科学院地球化学家、长期倡导探测地球中微子的麦克唐纳（William McDonough）说。
一个亟待解答的问题是，地球中微子测量数据反映的是各地实验下方地幔区域之间的差异，还是源于各实验在统计中微子时存在不同的偏差。业内研究人员普遍认为，目前不确定性太大，难以下定论。
“如果直接相信数据，我们可以说西半球的放射性物质可能比东半球多得多，”麦克唐纳说。但我们有理由对这些估算持谨慎态度。“意大利人的数据靠谱吗？日本人呢？两边都对？还是哪里出了错？”他问道。
位于意大利格兰萨索国家实验室的 Borexino 实验，其主要设计目的是研究来自太阳的中微子。
Volker Steger/LNGS-INFN贝叶斯（Bayes）表示，各探测器结果的不确定性，源于物理学家区分并识别地球中微子过程中的分类环节。“中微子不会现身并自我介绍说‘嗨，我是地球中微子’。”
科学家必须剔除能量过高的粒子、一种叫做螺旋度（helicity）的性质不符合要求的粒子，以及预计会从核反应堆流出的粒子。他们还必须剔除来自地壳的地质中微子，其中贡献最大的是探测器周围几百公里范围内的区域。把这些其他来源的探测结果从总数中扣除后，剩下的就应该是来自地幔的地质中微子信号。 大致来看，来自地幔的地质中微子通量在 Borexino 似乎很高，在 Kamland 则很低，尽管不确定度很大。Chen 表示，对 SNO+ 结果的详细地质解读仍在进行中，但目前为止，科学家发现加拿大地下的地幔“介于两者之间”。 对 SNO+ 团队来说，一个特殊的难题是理解来自探测器周边环境的中微子，包括 18 亿年前一颗巨型撞击体形成的盆地。参与为 Snolab 开发放射性局部模型的意大利费拉拉大学研究员 Virginia Strati 说：“这个地质区域有很多未知数。”
两万吨级的 JUNO 探测器于 2025 年 8 月投入运行。除了捕捉地质中微子外，它还研究来自台山和阳江核电站的粒子。
图片由 JUNO Collaboration 提供