關于地球中反中微子信號的研究

孫建新

(1.山西大同大學工學院，山西大同037003；2.山西大學理論物理研究所，山西太原030006)

關于地球中反中微子信號的研究

孫建新1，2

(1.山西大同大學工學院，山西大同037003；2.山西大學理論物理研究所，山西太原030006)

介紹了地球中反中微子的產生方式，并對反中微子的探測方式進行了說明.通過對能量分布函數的假設,研究了214Bi衰變產生反中微子的特有信號，并描述了偏移參數t對信號的影響.

反中微子 衰變 信號

地球中反中微子是地球上U、Th和40K等元素及其部分同位素衰變產生的，以238U、232Th和40K為例，它們的衰變反應可表示為:

地球中中微子和反中微子作為探測行星新方式的一種粒子,受到許多粒子物理學、核物理學、地球物理學和地質學等研究工作者的重視[1-2]，并在研發極端背景反中微子探測器和理解反中微子傳播方面取得了較大的進展.

雖然，在很久以前就有了地球中反中微子研究的構想，但長期以來沒有被科學家們重視.最近幾年，基于探索我們居住的地球的內部性質方面取得的較大進展[3]，科學家們開始認真考慮地球中反中微子的性質.從理論上看，地球中反中微子和地球上自然放射性的總量的關系被很多專家分析過，并提出了很多反中微子理論模型.隨著探測器技術的進步，一些理論模型得到改善.

基于反中微子探測數據，用較成熟的核物理理論解釋這些數據，可促進這個領域研究的進展.在前期有關中微子研究的基礎上[4]，本文討論一些核物理參數，這些參數有助于解釋反中微子信號，并且為這些參數的確定提供作為實驗參考的框架.

1 研究方法

一般來說，反中微子通過純β衰變和β-γ衰變兩種過程產生:

對于214Bi衰變式(2)中的兩種過程都有可能發生，衰變產物通常是214Po.不論是在運行的還是處于準備階段的所用實驗都是用碳氫化合物作探測媒介.對反中微子探測是通過作用在自由質子上的反β衰變[5]:

衰變反應中的信號可以通過每個β衰變的衰變鏈中產生的反中微子的能量相交相σ(Eν)和衰變譜f (Eν)去估計.信號量可表示為:

其中,E0=1.806 MeV是發生反應的最低反中微子能量，Emax是最大能量，f(Eν)是歸一化的波譜函數:

特定的信號隨著未知的不確定因素受到的影響對我們的研究是重要的.事實上，σ(Eν)因為不確定因素而受到影響的程度小于1%的[6]，是比較小的.f(Eν)通過一定程度的間接測量和不成熟的理論假設確定，精確地估計是比較困難的.我們的目的是提出一個發展的更好修正的理論來確定f(Eν)，以致較精確的確定特定信號.

要確定反中微子衰變譜f(Eν)，須知道最后原子核不同能量狀態的輸送幾率pn，輸送幾率的確定有賴于γ射線強度Im，nγ的測量.由γ線強度的測量可得到從m級到n級的躍遷強度Im，n:

其中，αm，n是內部躍遷轉化系數，可通過理論計算獲得，除非選擇規則禁止或抑制γ射線發射，一般說來，αm，n大約在10-2這個量值上.

通過射出和射入的躍遷強度差可得到激發態輸送幾率:

對于最低能量態的輸送幾率則可表示為:

式(8)意味著所有躍遷到沒有被觀測到或考慮到的基態包括到了最低能量狀態的輸送幾率中了.p0對我們的研究有著重要的意義，純β躍遷直接到了最低能量狀態，會產生很多活躍的反中微子，對研究特有的信號很有幫助.

不管躍遷包括什么，當核X衰變時，根據能量守恒定律，反中微子能量Eν，電子動能Te，γ線能量Eγ和發射總能量的關系是:

其中,衰變能E又可通過衰變前后質量差決定:

我們假設反中微子能量分布 f(Eν)函數是統一分布函數Fu(Eν，E-En)的總和，即:

其中，En是第n級能量，反中微子最大能量可表示為E-En，函數Fu(Eν，E-En)是歸一化函數.電子動能分布可表示為:

統一分布函數對電子和反中微子的關系是:

躍遷到基態的電子能量分布假設為:

其中:

其中,〈Te〉是通過Fu(Te，E)計算得到的平均能量.參數t描述統一函數的偏移程度，這個參數沒有改變分布的歸一化，僅僅改變分布的形狀.計算取到一級近似，現有的數據不允許我們獨立地確定p0、p1和t，可通過Monte Carlo方法輸入計數測量設備數據[7]，找到最好擬合時對應的值分別是p0= 0.152，p1=0.009，t=0.120±0.030.對同位素表中數據[8]有p0=0.161，p1=0.007，t=0.132±0.025.

反中微子信號s(214Bi)可表示為兩項貢獻的和:

其中，反應相交項〈σ〉0和〈σ〉1是反中微子能量分布的平均值，可表示為:

則由式(17)可得到

可以清晰的看到，對反中微子信號的最大貢獻是式(16)中第一項，因此，相對誤差主要由p0決定.通過實驗數據分析，對計數測量設備數據有:

對同位素數據表中數據分析有:

如果在式(15)中允許波譜形狀扭曲，則〈σ〉0可寫為:

其中,〈σ〉0=8.325×10-44cm2，〈Δσ〉0=-4.760×10-44cm2.如果把p0=0.152，p1=0.009和t=0.120±0.030代入式(16)和式(20)中可得:

可以看到，如果譜線變形，對應的信號會有微弱的改變，也就是說，偏移參數t是對信號的微弱修正.

2 結論及討論

通過214Bi衰變產生反中微子的研究，可以對反中微子信號解釋說明，214Bi最低能量狀態的輸送幾率對反中微子信號是非常重要的.在統一中微子譜的假設下，可以看到，p0=0.152這個值對通過用計數測量設備數據結果對214Bi反中微子特有信號進行的計算的計算結果與通過用同位素表數據計算結果有一個偏差，但這個偏差是比較小的，可以認為是一致的.中微子譜線變形對實際研究有更好地修正.可以通過這個計算去估算和研究其它元素及同位素(如234Pa和212Bi)發射反中微子信號，也可以對很多重要衰變方式普遍近似有效性進行檢查.

[1]周然，郭華.溫度對有中微子束縛的致密物質性質的影響[J].高能物理與核物理，2005，29(3):273-277.

[2]王浩.中微子主導吸積流的湮滅光度[D].廈門:廈門大學，2009.

[3]張潔，劉門全，魏丙濤，等.強磁場中修正URCA過程的中微子產能率[J].物理學報，2008，59(9):5448-5449.

[4]孫建新.關于中子星物質中的K介子凝聚[J].山西大同大學學報:自然科學版，2009，25(3):24-26.

[5]Vogel P，Beacom J F.Angular distribution of neutron inverse beta decay[J].Phys Rev D，1999，60:053003.1-053003.10.

[6]Strumia A，Vissani F.Precise quasielastic neutrino/nucleon cross-section[J].Phys Lett B，2003，564:42-54.

[7]Alimonti G，Arpesella C，Bacchiocchi G.A large-scale low-background liquid scintillation detector:the counting test facility at Gran Sasso[J].Nucl Instrum Methods A，1998，406:411-426.

[8]Alkovali Y A.Nuclear data sheets for A=214[J].Nucl Data Sheets，1995，76(1):127-190.

Abstract:This paper introdudes how the antineutrino comes into being and explains the detection ways of it.Based on the assumption of energy distribution，the essay does research on that 214Bi decay makes the antineutrino have unique signal.Moreover，it describes that migration parametert has an effect on the signal.

Key words:antineutrino;decay;signal

〔編輯 李海〕

Research on the Signal of the Antineutrino on the Earth

SUN Jian-xin1,2
(1.School of Engineering,Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003; 2.Institute of Theoretical Physics,Shanxi University，Taiyuan Shanxi，030006)

O572.32+1

A

1674-0874(2010)05-0034-02

2010-05-06

孫建新(1979-)，男，山西山陰人，在讀碩士，助教，研究方向:粒子物理與原子核物理.