提起粒子物理，你首先想到的是深埋地下足以環繞一座小城一週的粒子加速器，還是暗物質、暗能量這類宇宙奧祕？是不是很難和農田、種地聯繫起來？

宇宙射線和農業能產生怎樣的關聯？ （左圖：京都大學；右圖：veer圖庫）

其實，除了深奧的前沿課題，粒子物理不僅在醫療診斷、工業探傷等領域都發揮着巨大的作用，還在農業技術中有應用場景——研究人員正在嘗試藉助宇宙高能粒子流指示土壤含水量，以此來制定科學的土地灌溉方案，保證農作物的健康生長。

不是太小，就是太廣

土地的含水量怎麼會和宇宙射線搭上關係呢？讓我們先從傳統的土地溼度檢測方法說起。

一種常用的檢測儀器是電容式土壤水分傳感器。顧名思義，這種儀器將溼度與電容聯繫在一起，而電容是電子元件的一個參數，與一種叫“相對介電常數”的物理量有關。

土壤的主要成分中，水的相對介電常數約爲80，而其他物質的相對介電常數在3～7左右，大大低於水的值。因此，土壤的相對介電常數主要由水的佔比決定，水含量的細微變化就能引起土壤整體介電特性的改變。這種改變反映在電容值的波動上，根據測得的數值差異，傳感器就能計算出土裏具體含有多少水。

一種土壤溼度計 （圖片來源：SimpleGardenLife）

然而，這種傳感器能夠探測的範圍非常小，在廣袤的農田上，它能“罩”的地盤小得像一個點。爲了獲得全面的土地溼度數據，需要廣撒網式設置傳感器，成本太高。而且要把一個個小小的感應器埋在土裏，耕種時須得小心翼翼，難以施展開手腳。

有沒有其他方法可以測量更大範圍的土地溼度？格局打開，不要侷限在地面上。我們知道，一切具有溫度的物體都在發射電磁波。水分可以影響土壤本身發射的微波強度，也會影響它反射其他微波（如主動發射的檢測波束）或可見光的能力。大氣層外的衛星接收這些電磁波信號後分析波段，就能推演出對應的土壤溼度。

正是藉助接收電磁波的方法，衛星遙感技術能夠在遠距離、無接觸條件下實現平原山地的旱情預警、江河流域的水文分析，因而廣泛應用於環境監測等場景中。然而，對於小面積的土地，衛星遙感探測的範圍太廣，難以實現溼度的精準測量。

衛星遙感技術繪製土壤溼度地圖 （圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

宇宙射線，來自遠方的竊竊私語

有沒有一種技術可以填補這兩種手段之間在尺度上的空白？格局再打開，讓我們把目光投向深邃的宇宙。

地球上的我們每時每刻都沐浴在看不見摸不着的粒子“雨”中。來自宇宙深處的高能射線持續轟擊着地球，與大氣層中的各種元素碰撞後產生次級粒子，如μ介子和中子。

射入地球的宇宙射線與大氣分子碰撞， 產生大量遊離粒子和電磁輻射 （圖片來源：University of Chichago）

一些射向地球的中子的飛行速度非常快，能量可以達到1 MeV（M是兆，一兆等於10的6次方；eV是電子伏特，是表示粒子能量的單位），被稱爲快中子。這些中子進入土壤後，與大部分物質都不發生反應，最後被反彈出去，但唯獨和氫原子之間會發生碰撞，導致能量減小、速度降低，這個過程叫做中子慢化。

核裂變反應中的中子慢化過程 （圖片來源：Energy Education）

讓我們把中子和氫原子想象成宇宙檯球桌上的一些檯球。中子球不知被誰捅了一竿子，以極高的速度向着氫原子核飛來。無辜的氫原子核們正跳廣場舞（分子熱運動），中子球突然闖入，橫衝直撞，將自己的動能傳遞給周圍的氫原子核。經過頻繁的碰撞後，整個體系達到了平衡狀態，中子轉變爲能量僅剩0.025eV的熱中子（與周圍介質處於熱平衡狀態的中子，又稱慢中子），留在了氫原子的廣場舞隊列中。

中子（紅色）與氫原子（藍色）發生碰撞， 動能在粒子之間傳遞，最終趨於平衡。 （圖片來源：wiki)

含有兩個氫原子的水分子是天然的中子慢化劑，因此土壤含水量越高，慢化和吸收的中子就越多。研究人員利用這一原理，發明了一個聽起來有些科幻的裝置：宇宙射線土壤溼度感應器。沒有遇到水分子的中子飛回空中，感應器通過檢測這類中子的數量來估計土壤含水量。

宇宙射線土壤水分測量儀 （圖片來源：中國科學院哀牢山生態站）

捕捉無影無蹤的中子

中子作爲微觀粒子，小得難以捕捉，本身又不帶電，該怎麼檢測？核工程師表示：這題我會啊！

中子探測是核能領域的常見技術，通常使用氦-3或三氟化硼來截獲中子。農學研究人員在此基礎上進行了改進，使之更適合農業生產的實際，比如利用含有部分硼同位素硼-10的半導體材料六方氮化硼（h-BN）晶體來捕捉中子。硼-10與遇到的中子發生反應，搖身一變成了鋰同位素鋰-10，並釋放α粒子（也就是氦原子核），其核反應方程式爲（n爲中子）：

n + 10B → α + 7Li + 2.792MeV

含有同位素鋰-6的材料同樣可以與中子發生類似反應，因此研究人員也會使用含有鋰-6的氟化物用於探測中子：

n + 6Li → α + 3H + 5MeV

這些反應中產生的α粒子帶有電荷，能夠在一種名爲閃爍探測器的裝置中激發閃光信號，由光電器件讀取並計數。知道了α粒子的數量，也就能從核反應方程式中得知中子的數量，最終用於估算土壤的含水量。

硼-10捕獲中子。a.)硼-10原子核捕獲中子概率較高。b.)不穩定的新原子核裂變爲其他粒子併產生伽馬光子。（圖片來源：Baumann et al.,2000)

(a)捕獲的中子在閃爍體中激發顯著的脈衝電信號（紅色橢圓）。藍色橢圓爲μ子。(b)捕捉中子的核心部件：基於閃爍體的傳感器。檢測器1中含鋰6-氟化物，檢測器2爲閃爍器。PMTs爲光電倍增管。

（圖片來源：Gianessi et al., 2024)

通過實驗，研究人員發現，那些被彈射出去的中子能飛到平均300米遠的地方。有了這項技術，只需要將一個宇宙射線探測器放置在田間地頭，對農田上空的中子進行捕捉計數，就可以估計方圓幾百米內的土地中含有多少水分。檢測器不需要埋入土壤，可以探查的深度就能達到15至50釐米。在田間豎立少數幾個這樣的感應器，就能獲得整片耕種區域的溼度地圖——誰能想到看不見摸不着的宇宙射線，竟然有希望成爲我們種地的好幫手呢？

安裝在試驗田中的柱形宇宙射線探測器（左、右）； 中央支點灌溉系統（中） （圖片來源：謝菲爾德大學）

宇宙射線在田間反射，最終被檢測器捕捉。 左圖爲中子能量頻譜 （圖片來源：謝菲爾德大學）

從黃土高原的乾旱地區、青藏高原高寒生態圈，到華北平原廣袤的農田，藉助宇宙射線探測土壤成分的技術在一系列觀測研究中都得到了驗證。預計未來宇宙射線土壤溼度感應器還能更廣泛地應用在更豐富的生態系統的研究中，並逐漸在旱情預報、雪深測量、凍土含冰量估計、衛星觀測結果驗證和校準、土壤水分建模等領域發揮作用。

參考文獻：

[1] 陳書林, 劉元波， 溫作民. “衛星遙感反演土壤水分研究綜述.” 地球科學進展, 27(11), 2012， p.1192.

[2] Desilets, D., and Zreda, M. “Footprint diameter for a cosmic-ray soil moisture probe: Theory and Monte Carlo simulations.” Water Resources Research.. 49: 3566–3575. 2013. Available at: https://doi.org/10.1002/wrcr.20187

[3] Gianessi, S.et al. “Testing a novel sensor design to jointly measure cosmic-ray neutrons, muons and gamma rays for non-invasive soil moisture estimation”, Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 13, 9–25, 2024. Available at: https://doi.org/10.5194/gi-13-9-2024.

[4] 焦其順, 朱忠禮, 劉紹民, 晉銳, 杜帆. “宇宙射線快中子法在農田土壤水分測量中的研究與應用.” 地球科學進展, 28(10), 2013. p.1136.

[5] Li, P. et al. ‘Large Scale BN‐perovskite Nanocomposite Aerogel Scintillator for Thermal Neutron Detection’, Advanced materials (Weinheim), 10.1002/adma.202309588, 36, 26, (2024).

[6] Maity, A. et al. ‘High efficiency hexagonal boron nitride neutron detectors with 1 cm2 detection areas’, Applied physics letters, 116(14) .2020. doi: 10.1063/1.5143808.

[7] Stowell, P. et al.‘Scintillating thermal neutron detectors for cosmic ray soil moisture monitoring’, Journal of instrumentation, 16(11), (2021) p. P11039. doi: 10.1088/1748-0221/16/11/P11039.

[8] 田子晗, 張勇勇, 趙文智, 王麗莎, 王川, 康文蓉, 吳紹雄. 宇宙射線中子技術的中尺度土壤水研究進展及在荒漠綠洲區的應用. 地球科學進展[J], 2022, 37(9): 979-990 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.045

[9] 張丹 王藝靜 劉耐霞 黃安琪. ‘防汛搶險救災，我們在行動.’ 中國電科微信公衆號. Available at: https://mp.weixin.qq.com/s/0o3zErfWl-iEK0neun2DAQ. Accessed 8th July 2024.

[10] 趙原，李曉鵬，紀景純，等.宇宙射線中子法在土壤水分監測研究中的應用進展［J］.生態與農村環境學報，2019，35（5：545-553

作者簡介

嚴益章，英國謝菲爾德大學研究生在讀。