地球中微子研究

地球中微子研究高精度反應(yīng)堆中微子與天體中微子物理研究作者：卡卡西研究背景和意義JUNO周圍3D精細(xì)地殼模型JUNO地球中微子測(cè)量精度研究綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的建立課題匯報(bào)提綱

地球中微子:地球內(nèi)部放射性元素衰變

地球科學(xué)目標(biāo)放射性生熱所占的比分放射性生熱在地球內(nèi)部分布3種BSE模型（LowQ，MiddleQ和HighQ）FromOnd?ej

?rámek2017錦屏中微子研討會(huì)地球熱量的來源是地球科學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題定量確定來自地幔熱量貢獻(xiàn)是解決板塊運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力這一重大科學(xué)問題的重點(diǎn)和難點(diǎn)地震學(xué)研究P–primary,longitudinalwavesS–secondary,transverse/shearwaves地震學(xué)可以給出地球內(nèi)部分層的情況無(wú)法給出放射性同位素的含量及分布地球化學(xué)地球化學(xué)可以得到巖石的元素和同位素組成深部樣品難以獲得地?zé)釋W(xué)有限的測(cè)井深度（12km）和地表熱流測(cè)量數(shù)據(jù)地殼可以比較好的直接研究地幔還存在很大的不確定性3~25TW地球中微子成為一種全新的地?zé)嵫芯渴侄螠y(cè)量來自地幔的放射性生熱檢驗(yàn)不同的地球化學(xué)模型1）測(cè)量Th/U比例2）放射性元素在地幔中的分布3）地核中是否存在40K4）地核是否存在反應(yīng)堆直接測(cè)量地?zé)幔旱乇頍崃鞯臏y(cè)量地表熱流KamLAND和Borexino的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果1TNU=1個(gè)/1032

質(zhì)子/年兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的不確定度達(dá)到16%~18%KamLAND傾向于low-Q模型，Borexino傾向于High-Q模型差別主要來自地殼還是地幔？是否如預(yù)期有相同的地幔？168events56events研究背景和意義江門2萬(wàn)噸地球U/Th產(chǎn)生地?zé)峒爸形⒆优袛嗟厍騼?nèi)部放射性生熱測(cè)量U/Th比例計(jì)算地幔中放射性能量，區(qū)分不同地球模型判斷地幔對(duì)流模式地磁場(chǎng)的形成目前國(guó)際上KamLAND和Borexino兩個(gè)實(shí)驗(yàn)總共探測(cè)到~100個(gè)地球中微子江門每年探測(cè)400個(gè)將首次對(duì)不同地球模型給出判定判定地球模型需要扣除近場(chǎng)地球中微子，得到地幔貢獻(xiàn)

R(地幔)=R(總量,實(shí)驗(yàn)測(cè)量)-R(地殼,預(yù)期)研究目標(biāo)任務(wù)目標(biāo)：地幔測(cè)量精度達(dá)到>3σ實(shí)現(xiàn)途徑：將地殼中微子的預(yù)測(cè)精度從基于全球模型Crust1從25%降到8%研究?jī)?nèi)容1：地殼模型全球模型地球物理：Crust1.0

+地球化學(xué)：Rudinick&Gao03Stratietal(2014)GIGJ模型

地球物理：重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)+地球化學(xué)：Rudinick&Gao03Reguzzonietal（2019）JULOC模型地球物理：地震波數(shù)據(jù)

地球化學(xué)：獨(dú)立數(shù)據(jù)和建模Ruhan.Getal(2020)JULOC-I模型

物理：地震+重力

數(shù)據(jù)

化學(xué)：收集/采集豐度+熱流Ran.H(2022)通過合作組審查地殼模型：縱向/橫向網(wǎng)格，地球物理（密度、厚度）和地球化學(xué)（U/Th豐度）JULOC/JULOC-I：多數(shù)據(jù)融合、大樣本建模新方法JULOC3D地殼模型JULOC:多數(shù)據(jù)、大樣本、新方法地球化學(xué)＋地球物理＋地質(zhì)學(xué)地化數(shù)據(jù)收集（3000+數(shù)據(jù)）2km垂直空間分辨率、30km水平空間分辨網(wǎng)格化、非關(guān)聯(lián)、

獨(dú)立求和新方法

A：豐度，i：ith巖石，P：ith巖石在網(wǎng)格中占的比例JULOC建模難點(diǎn)及領(lǐng)先點(diǎn)：地化數(shù)據(jù)的綜合建模與地震局合作收集數(shù)據(jù)：

近500個(gè)固定地震臺(tái)數(shù)據(jù)新增200+個(gè)流動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)密集臺(tái)陣布置工作（200km長(zhǎng)112臺(tái)）?

三維地球物理模型綠紅固定臺(tái)站，黃色流動(dòng)臺(tái)站200km長(zhǎng)的密集臺(tái)陣獲知地下結(jié)構(gòu)信息，為構(gòu)建三維地殼模型提供約束基于密集地震臺(tái)陣獲得可靠的地殼厚度模型李志偉基于文獻(xiàn)收集的樣品，建立了三維地球化學(xué)模型建模方法?三維地球化學(xué)建模.JULOC：Alocal3-Dhigh-resolutioncrustalmodelinSouthChinaofforecastinggeoneutrinomeasurementsatJUNO（PEPI299.106409.2020）>500km遠(yuǎn)場(chǎng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集上地殼與中-酸性火成巖平均U、Th豐度已收集到一些全球數(shù)據(jù)，還有很多區(qū)域空白，由于火成巖豐度與上地殼U/Th豐度有一定正相關(guān)，可以依次推導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)豐度。高若菡地殼結(jié)構(gòu)建模方法基于地震數(shù)據(jù)，建立地殼結(jié)構(gòu)模型（PEPI已發(fā)表）?地震背景噪聲成像：加入200km密集臺(tái)陣數(shù)據(jù)，更好反映地殼結(jié)構(gòu)?地震+重力聯(lián)合反演，改善結(jié)構(gòu)模型、更好擬合重力數(shù)據(jù)、提高模型可靠性李志偉地震數(shù)據(jù)（左）和重力數(shù)據(jù)（右）重震聯(lián)合反演3D密度分布模型重力反演密度模型衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)收集：GOCE衛(wèi)星近50km范圍內(nèi)重力測(cè)量（1:10萬(wàn)比例尺1601個(gè)點(diǎn)）?完成近場(chǎng)密度模型構(gòu)建?近場(chǎng)密度習(xí)宇飛徐亞創(chuàng)新點(diǎn)：網(wǎng)格化大樣本采樣（JUNO500km以內(nèi)，每個(gè)網(wǎng)格>5個(gè)樣品）三維地球化學(xué)模型文獻(xiàn)收集豐度數(shù)據(jù)3000+個(gè)500km范圍采集巖樣1017個(gè)?50km范圍采樣253個(gè)?習(xí)宇飛、王安東、高若菡網(wǎng)格化采樣降低誤差JULOC-I3D地殼模型JULOC-I:多數(shù)據(jù)融合新方法地球化學(xué)＋地球物理＋地質(zhì)學(xué)+地?zé)峋W(wǎng)格化均勻采樣（3000+數(shù)據(jù)，500采樣數(shù)據(jù)）垂深方向巖性的概率分布地震數(shù)據(jù)：獲得垂深分布的波速波速與巖石類型有對(duì)應(yīng)關(guān)系（ChristensenandMooney，1995）近場(chǎng)50km巖樣分析已經(jīng)完成500km以內(nèi)巖樣分析正在進(jìn)行500km內(nèi)網(wǎng)格少于5個(gè)樣品“查缺補(bǔ)漏“巖樣U和Th元素豐度分析253個(gè)樣品的豐度分布情況均值比全球模型高。對(duì)部分樣品進(jìn)行了主量和微量元素豐度測(cè)試測(cè)試結(jié)果對(duì)U的平均豐度影響較大，對(duì)Th的平均豐度影響不大可能是由于高U區(qū)域巖石樣品明顯偏多高若菡習(xí)宇飛三維地球化學(xué)建模先驗(yàn)巖石分布概率5km深度，后驗(yàn)巖石分布概率3-DU/Th豐度分布圖約束上地殼豐度以熱傳導(dǎo)理論（能量守恒）為基礎(chǔ)，綜合地球物理（分層）、地球化學(xué)（U-Th含量）和地?zé)釘?shù)據(jù)（地表熱流）三類數(shù)據(jù)，構(gòu)建了華南地?zé)崮Ｐ?。地?zé)崮Ｐ桶说貧そY(jié)構(gòu)和地殼成分等綜合地質(zhì)信息通過U-Th放射性生熱建立U-Th含量（豐度和地殼中厚度）和地?zé)崮Ｐ偷穆?lián)系，從而約束地殼中高放射性元素含量，最終為中微子通量計(jì)算提供約束地?zé)崮Ｐ蜆?gòu)建地?zé)釘?shù)據(jù)地質(zhì)模型地?zé)崮Ｐ徒庹芯績(jī)?nèi)容2：地殼中微子通量計(jì)算1000次隨機(jī)數(shù)U，Th，U+Th產(chǎn)生地球中微子信號(hào)圖四種地殼模型下地殼中微子通量不同模型下，巖石圈地殼JUNO地球中微子通量地殼中微子通量預(yù)測(cè)：信號(hào)顯著增加的主要原因是華南地塊上地殼的U/Th含量高于全球平均水平。地球科學(xué)：這一發(fā)現(xiàn)與JUNO周邊地區(qū)高U-Th花崗巖侵入體的廣泛分布一致，也能夠通過抽樣調(diào)查結(jié)果和熱流數(shù)據(jù)得到證實(shí)。地球中微子能譜、

反應(yīng)堆中微子能譜及其他本底考慮進(jìn)物質(zhì)效應(yīng)、液體閃爍體非線性，乏燃料與非平衡效應(yīng)，大亞灣反應(yīng)堆反中微子異常等效應(yīng)，給出反應(yīng)堆中微子能譜。研究?jī)?nèi)容3：地球中微子實(shí)驗(yàn)靈敏度反應(yīng)堆中微子能譜誤差：1%，DYB誤差和TAO預(yù)測(cè)誤差。反應(yīng)堆中微子能譜本底來源及誤差來源事例數(shù)/年事例數(shù)不確定度%能譜不確定度%反應(yīng)堆15769.72.8TAObased9Li-8He292.22010快中子36.51002013C(α,n)16O18.25050偶然本底292.21忽略本底及信號(hào)能譜不同地殼模型下，

JUNO地球中微子探測(cè)潛力Global+不同反應(yīng)堆能譜誤差JULOC+不同反應(yīng)堆能譜誤差JULOC-I地殼模型下的精度探測(cè)潛力TAO能譜誤差，不同地殼模型的探測(cè)潛力同一個(gè)地殼模型下，1%的能譜形狀誤差給出最高精度，TAO測(cè)量給出中間值，DYB測(cè)量給出最低精度；TAO能譜誤差下，JULOC-I模型給出最高的探測(cè)精度，4.2%@10y（KamLAND和Borexino>16%@10y）JUNO運(yùn)行一年可觀測(cè)成果不同地殼模型下，JUNO預(yù)測(cè)總的地球中微子通量，地幔模型采用Middle-Q,粉色和藍(lán)色陰影區(qū)為JUNO在不同地殼模型下的探測(cè)潛力（R.Han，CPC2016）JUNO運(yùn)行第一年就能區(qū)分精細(xì)地殼模型和全球地殼模型，從粒子物理方面驗(yàn)證了首個(gè)地學(xué)問題：華南地區(qū)富含U和Th。不同地殼模型下，JUNO預(yù)測(cè)總的地球中微子通量，地幔模型采用Middle-Q,粉色和藍(lán)色陰影區(qū)為JUNO在不同地殼模型下的探測(cè)潛力，最新計(jì)算結(jié)果，并且排除了TS3和TS4反應(yīng)堆。研究?jī)?nèi)容4：JUNO

U/Th比探測(cè)潛力U/Th比不固定，1年和10年下JULOC-I模型下UTh測(cè)量不確定度UThU+Th1維投影，10年判定地球模型需要扣除近場(chǎng)地球中微子，得到地幔貢獻(xiàn)

R(地幔)=R(總量,實(shí)驗(yàn)測(cè)量)-R(地殼,預(yù)期)研究?jī)?nèi)容5：地幔中微子測(cè)量精度總放射性生熱地幔放射性生熱~5TWKamLANDBorexino預(yù)期：地幔信號(hào)各個(gè)觀測(cè)站是一致的！JUNO地幔測(cè)量精度研究地殼中微子預(yù)期事例數(shù)增加，導(dǎo)致地幔中微子測(cè)量精度降低；10年數(shù)據(jù)下，JULOC-I模型可以初步達(dá)到2.3σ的精度若繼續(xù)提高精度，需繼續(xù)提高地殼模型的精度研究?jī)?nèi)容6：振蕩和能譜對(duì)測(cè)量精度影響232Th238U高階修正結(jié)果

研究?jī)?nèi)容7：綜合數(shù)據(jù)庫(kù)主要成果：綜合數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)新點(diǎn)：國(guó)內(nèi)首個(gè)地球科學(xué)和粒子物理交叉數(shù)據(jù)庫(kù)成果水平：針對(duì)華南地區(qū)國(guó)內(nèi)先進(jìn)應(yīng)用前景和示范推廣促進(jìn)了交叉學(xué)科的發(fā)展。大力促進(jìn)了粒子物理和地球科學(xué)的交叉融合，學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展，并培養(yǎng)了一大批交叉學(xué)科人才，為未來的中微子實(shí)驗(yàn)站提供了交叉學(xué)科的人才儲(chǔ)備。促進(jìn)了華南地區(qū)資源的開發(fā)利用。在本研究的地溫場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上和其他地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的促進(jìn)下，在惠州開展相關(guān)的地?zé)嵴{(diào)查，打到了迄今為止中國(guó)東部水溫最高、壓力和流量最大的高產(chǎn)能地?zé)峋瑢?duì)于支撐服務(wù)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)和推動(dòng)地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)我國(guó)的“雙碳目標(biāo)”具有十分重要的意義。建立了首個(gè)交叉學(xué)科數(shù)據(jù)庫(kù)。集成了大量跨學(xué)科數(shù)據(jù)并形成綜合三維地質(zhì)