如果梦想在天上和地球上得到更多的东西，单单靠电磁探测是不充分的。对于那些视觉上是模糊的源，或者它们发射的能量主要不是以光子形式时，必须发展新的探测方法。这曾经推动了中微子天文学的发展，代表性的就是太阳内部发射中微子的探测。我们虽然已经认识到利用弱相互作用来探测天体物理各种源的有用性，但是反中微子探测的潜力尚没有广泛的探索过，本文的目的就是探索反中微子的探测。

地球作为一个源

其中A，Z是原子核的原子数和电荷数，e^-代表β粒子（电子）。首先由于α放射的同位素产生富中子产物，然后受到β衰变。这些过程是地球物理研究中的基本过程，这样一些衰变中释放的能量在很大程度上也决定了地球内部的动力学。

我们的第一个目的是计算从地球来的反中微子通量谱。由于岩石圈（岩石圈定义成一直到100公里深的表面层）全部衰变在地球表面法向方向反中微子总通量数量级是10⁷厘米^-2秒^―1，能量范围一直到3.26兆电子伏，较之低能（小于1兆电子伏）的太阳中微子通量10¹¹厘米^-2秒^-1小4个量级。在高于1兆电子伏这个谱区，地球上反中微子强度最大，而对应的太阳中微子通量数量级为10⁸厘米^-2秒^-1。因此，在这个谱区，我们可以预料地球的信号或许比太阳中微子只弱一个量级，而不是弱四个量级。

在地球内部产生的所有反中微子实质上没有发生相互作用就达到地球表面。因此，它们的测量是地球内部一个很理想的探针，对于用其他办法无法接近区域的研究是很有用的。直接取样的办法，用火山的爆发，我们至多只能探测与岩石圈接触的地慢上层。然而，反中微子信号给出整个地球测量。扣除了岩石圈给出的已知贡献，就得到地球内部的直接测量。测量不同放射性同位素反中微子通量，原则上就可以得到重要的地球物理信息。

探测低能反中微子

能量为兆电子伏范围的反中微子与原子核相互作用产生放化转变，从（A，Z）原子到（A，Z-1）原子，通过与β衰变逆过程相关的两个不同弱相互作用过程：

其中Q_β代表β衰变时，超过电子静能量所释放的能量。前一个过程叫共振轨道电子俘获，具有的阈能等于相关的β衰变过程，但是作为一个共振过程，入射反中微子只在这个能量附近很小的范围发生。后一个过程叫逆β衰变，要求入射反中微子具有额外的1.02兆电子伏的能量，但是对于高于这个阈能的所有能量反中微子都能发生这个过程。此外，这两个过程的截面对靶原子（A，Z）空间有不同依赖关系。共振过程的截面随Z的增加而增加，而逆β衰变过程刚好相反。因此，这些差别可以用来设计探测器，使之对不同反中微子源达到最敏感。

为了比较起见，我们考虑紧密相关的太阳中微子实验。布鲁克海文太阳中微子实验利用反应γ+³⁷Cl→³⁷Ar+e^-，这是³⁷Ar电子俘获衰变的逆过程，其半衰期为35天，阈能为0.81兆电子伏。³⁷Cl的丰度为25%，这是容易得到的。400，000升（600吨）氯乙烯C₂Cl₄的大柜，用来作为探测器，放在1500米深地下的矿井中，以减少宇宙线产生的³⁷Ar。产生的³⁷Ar系惰性气体，是容易通过用氦气清洗，从液体里移开。与氦分离以后，测量它的放射性衰变，以决定³⁷Ar的净产生率。得到的产生率为2.0±0.3 SNU（=TAU）*，从已知源的背景为0.35 SNU。实际的³⁷Ar产生率是每2天约一个原子。

为了探测数量级为每天约一个反中微子事件，³⁷Cl实验的下述几个方面必须重复产生：

（1）为了得到（最多）由于0.5 TAU每天约一个事件，必须有数量级为1千吨的探测用物质。这些物质的生产必须是便宜的，或者可以借到（因为在探测过程中并不毁坏这些物质）。

（2）因为产生的原子数目极少，因此分离技术必须几乎是100%的效率。对于反应产物是惰性元素这是有可能的。如果不是这种情形，那么更加成熟的化学分离必须是可能的，而且对于分离目的来说，液体或气体探测器的使用似乎是更加可行的。

（3）如果设想用放射化学探测，那么反应产物必须有足够长的寿命，使得能够出现若干有意义的产物，但又要足够短，这样可以测量其后的衰变，反应产物寿命数量级为1天＜τ＜1年。

当不能用放射化学探测时，对于产物原子的分离以及其后的探测，我们必须考虑新技术。新的方法，例如共振离子光谱学方法，使小数目“稳定”原子探测成为可能。对于共振离子计数，现时的灵敏度大约是100 ~ 1000个原子。这样大小的数值，原则上可以在运行时间一年左右产生。注意提出来存在质子衰变探测器，它将测量稳定衰变产物原子。质子寿命 ~ 10³¹年相当于跃迁率为 ~ 3×10^-3TAU。对于长寿命跃迁产物，可以考虑考古学探测器的可能性，这可以通过寻找在普通岩石中长期积累起来的这些产物。然而这样一些产物的丰度最多在数量级为 ~ 10^-19。

考虑今天地球上反中微子探测的实验情况，是与设计太阳中微子的第一个实验情况时相类似。将要求利用新技术大型机械设备，或许是探索激发态跃迁（可能是⁷⁹Br），跃迁率充其量也不过是0.1 ~ 0.2 TAU，并利用新的共振离子光谱学技术。

实验情况的其他方面是令人鼓舞的。首先这样一些探测器利用核反应堆反中微子是能够进行标度的；而对于太阳中微子探测器这是不可能的。其次，地球上反中微子通量有一个已知的下限，即已知的岩石圈放射性水平。这样一些第一代地球上反中微子探测器会不会比类似的太阳中微子探测器产生更多的信息依赖于可能的背景。对这些背景我们分成四种类型：非中微子引起的事件，从地球上各种源来的反中微子，从局部放射性矿床来的反中微子，以及地球之外的反中微子背景。详细计算表明，从大尺度地球反中微子信号中排除背景，可能具有困难的唯一背景是由于宇宙线的μ子，不过我们相信这是可以降到这样一种可接受水平，它可以独立检验。

地外反中微子

除了罕见的附近的超新星脉冲以外，太阳中微子通量掩盖了所有其他可能的能量范围在0.1 ~ 15兆电子伏的地外反中微子源。地球上反中微子通量一方面比较小，另外方面能量上又更局限在局部范围，因此我们相信，对于天体物理过程来说，反中微子探测器要比中微子探测器更加有用。特别是从超新星来的反中微子（和中微子）扩散背景存在，如果能探测到，它就可以给出在星系中超新星频繁程度的信息。然而，首先我们考虑其他天体物理源，它们所产生的反中微子通量不能与地球的通量相比拟。

太阳的所有主要反应没有反中微子。这一点是重要的，因为即使它们的产生率压低到相当于太阳中微子的10^-4 ~ 10^-5倍，那么它们到达地球的通量可以等于地球反中微子通量。从银心来的中微子和反中微子通量，对感兴趣的能量预计也比大气中微子通量小几个数量级，而大气中微子通量又比地球的通量小很多。

只有超新星爆炸，发射 ~ 10⁵³尔格的能量，大部分以中微子和反中微子形式，能量在 ~ 10兆电子伏左右，原则上它们是能量上足以产生可相比拟或大于太阳或地球的通量。然而，利用现在超新星中微子探测器的计算证明，1千吨探测物质的探测器只对我们银河系的超新星是灵敏的。这样一些爆炸预料发生率是每10 ~ 30年才有一次，因此作单个探测是成问题的。

如果在大部分宇宙史中（例如说 ~ 10¹⁰年）超新星以恒定率发生，如每个星系每15年发生一次，它们的累积效应就已经产生了中微子和反中微子的扩散背景。中微子背景是由太阳中微子通量的高能部分所淹没。然而，反中微子背景原则上可以与地球通量分离开来。

结 论

这里描述了中微子和反中微子通量，中微子提供了太阳和恒星过程的信息，反中微子提供了地球的信息，或许还有超新星丰富度的信息。这两个过程提供的信息，除了用弱相互作用探测外，其他办法可能是得不到的。中微子和反中微子不存在电磁相互作用，意味着对宇宙的研究除了通过适用的电磁探测外，又打开了正交的和互补的宇宙分量。再者，中微子和反中微子可能说明了宇宙的大部分能量密度，因此在宇宙的动力学中可能有极其重要的作用。

然而研究太阳和地球内部如此有用的弱相互作用由于与探测器的作用太微弱，也妨碍了对它们的测量。地球上反中微子探测要求成熟的新技术。我们可以想象几代实验，针对测量反中微子谱的不同部分。如果判明这是可能的话，我们就可以得到地球内部结构和动力学的最初基本经验数据，包括测量热产生，上地幔层的对流，内部成分的地质学数据，或许还有放射性丰度局部浓度或全球各向异性的信息。也可能得到超新星的丰富度和频数的信息，宇宙线中反中微子分量的信息，可能的中微子振荡信息，并证实低能弱相互作用截面的理论预言。

对上面概述的计划，甚至一个单个测量也还有很长一段路。的确，甚至初步的弱相互作用天文学和地球物理学暂时也不可能变成实用的。然而，原则上中微子和反中微子天文学和地球物理学对于研究我们的头上和我们的脚下可以打开广阔无比的新窗口。

[Nature，1984年第310卷第191 ~ 198页]

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* 1 TAU（地球反中微子单位）=1 SNU（太阳中微子单位）=每秒每个靶核原子发生10^-36次相互作用。