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日本将在地下1750米,存放26万吨99.999999%超纯水,究竟有何目的

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  水在地球上很常见,地表的七成覆盖着海水,海水的总质量估计高达140亿亿(1.4×10^18)吨。另外,在地下深处1000公里,还隐藏着大量的水,总量估计与地表海水差不多。

  但要说真正意义上纯净的水,地球上并没有。在自然界中,水都会或多或少包含一些矿物质、微生物等杂质。不过,日本已经在地下存放了5万吨超纯水,也就是几乎只有水分子(H2O)的水,未来还将会再储存26万吨的超纯水,他们这么做究竟有什么目的呢?

  

  这其实涉及到了追踪宇宙中神秘的“幽灵粒子”——中微子。这是粒子物理标准模型中不可再分割的基本粒子,本身不带电荷,质量极低,以十分接近光速的速度运动。

  然而,想要探测到中微子极其困难,因为它们只极为微弱地参与弱相互作用和引力作用。中微子可以非常轻易地穿过诸如地球这样的巨大物体,而不会引起什么反应。

  

  据估计,每秒有100万亿个中微子会穿过人的身体,其中大部分来自于太阳。在太阳的核心区域,氢核聚变产生伽马光子的同时,也会释放出大量的中微子。尽管每时每刻都有大量的中微子穿透我们的身体,但我们无法直接感知到它们的存在。

  为了探测到难以捉摸的中微子,需要通过特殊的手段。在地下1公里深的矿山中,日本科学家建造了超级神冈中微子探测器。因为只有远离地表,才能排除掉其他宇宙高能粒子的干扰。而中微子穿透性很强,探测器可以在地下深处来捕捉它们。

  

  除了远离地表,而且还要超纯水。通过特殊的净化系统,去除水中的离子、尘埃颗粒以及微生物等杂质,从而得到基本上只有水分子的超纯水,纯度可达99.999999%。

  通常情况下,水可以导电,因为水中包含一些杂质,存在大量自由移动的离子。而超纯水中只有水分子自偶电离产生的少量氢离子和氢氧根离子,其导电性几乎没有,电阻率为18.2 MΩ·cm,可以认为是半绝缘体。

  

  只有去除掉水中的杂质,才有一定概率探测到中微子。当中微子与水分子发生相互作用之后(概率极小),将会释放出速度极快的高能粒子,它们的速度会超过光子在水中传播的速度,从而辐射出波长很短的电磁辐射,这就是切伦科夫辐射。

  在超级神冈中微子探测器中,储存着5万吨的超纯水,该研究项目耗资7亿元人民币。未来,日本还要建成超巨型神冈中微子探测器(顶级神冈),其中将会把26万吨超纯水深埋于1750米的地下,新研究项目的耗资将会超过50亿元,建成后将会是世界最大的中微子探测器。

  

  超级神冈探测器于1983年投入使用,它给人类带来了一系列重大科学发现。1987年,超级神冈探测器探测到了大麦哲伦星系(距离16万光年)中的一颗超新星所释放出的中微子,它们比伽马射线暴提前3小时到达地球,这个重要发现给未来预测超新星爆发提供了可能性。

  

  另外,超级神冈探测器还发现了中微子振荡,证明中微子并不像光子那样没有静质量,只是非常低。凭借着这些重大发现,先后有多位物理学家因此获得诺贝尔物理学奖。

  预计在2027年,顶级神冈将会投入使用,它的灵敏度比上一代有了大幅提升。到了那时,新一代中微子探测器将有望揭开质子衰变之谜,甚至是宇宙起源之谜。而这一切都离不开看似平常的物质——水。

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