中国海洋大学在中微子地球探测领域取得新进展

 近日，中国海洋大学“海星计划”团队在国际学术期刊Chinese Physics C（《中国物理C》）在线发表了题为“Neutrino tomography with a three-dimensional model of Earth’s density”（基于三维地球密度模型的中微子层析成像）的研究论文。中微子探测与研究“海星计划”是学校加强有组织科研，推进学科交叉融合的一次探索，也是面向世界科学前沿，集聚力量进行原创性引领性科技攻关的重要举措，该计划由中国海洋大学联合中国科学院高能物理研究所和中国科学院声学研究所共同实施。

中微子地球层析成像是利用中微子穿越地球过程中受到物质密度分布影响而产生的振荡特征，探测地球内部结构的一种新方法。相较于传统地震学方法，该方法为认识地球深部三维结构提供了新的观测视角。现有相关研究多依赖PREM、AK135等一维径向对称地球模型，虽然在早期可行性研究中具有重要作用，但难以反映地球内部真实存在的横向非均一性，特别是深部地幔中大尺度低速省等复杂结构对中微子传播过程的影响。因此，构建更符合真实地球结构特征的三维密度模型，并在此基础上开展中微子传播与振荡计算，是推动中微子地球层析成像研究进一步发展的重要方向。

针对上述问题，研究团队在前期工作的基础上，构建了一个基于Tesseroid离散的三维地球密度计算框架。该研究综合PREM、CRUST1.0和HMSL-S06等模型，建立了包含深部地幔大尺度低速省信息的非球对称三维地球密度模型；同时，发展了适用于三维密度场的中微子传播轨迹追踪方法，并给出了离散模型总质量和轴向转动惯量的计算表达式，用于检验模型整体物理一致性。在此基础上，研究进一步结合精确三味中微子振荡计算方法以及公开的Super-Kamiokande数据产品，对三维模型与传统一维参考模型条件下的振荡概率和事例数分布进行了比较分析。结果表明，该框架能够较好刻画地球内部横向密度异常特征，并为评估三维地球结构对大气中微子传播及观测响应的影响提供了方法基础。

中国海洋大学为该成果的第一完成单位，通讯作者为海洋地球科学学院邢军辉教授和中山大学林苏杰特聘副研究员，论文第一作者为海洋地球科学学院2023级硕士研究生魏家一，中国海洋大学田纪伟教授和中国科学院高能物理研究所李秀荣副研究员共同参与完成。研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。

文：邢军辉

文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/ae5c85/pdf