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日本在地下1000米深处,储存了5万吨超纯水,20多年来目的何在?

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日本虽然是一个岛国,自身的狭小的国土面积对于日本的发展有很多的限制,但是日本在很多领域上的科研水平可以说是处于世界比较领先的位置的。


霓虹灯闪烁下的日本

这也是来自于日本政府对于科研工作的投入和支持,为了储存5万吨用于实验的超纯水,日本居然将其藏在了地下1000米处20多年,其目的是什么呢?

纯水到底是什么

超纯水是一种非同寻常的水,它通过使用蒸馏、去离子化等各种技术生产而成,这种水专门用于针对中微子有关的研究。中微子是自然界中最基本的粒子之一,也被称为是“宇宙中最难以捉摸的猎物”,它一直是很多专家学者研究的重点课题,纯水对于研究有什么帮助呢?


制作超纯水

中微子以接近光速的速度是很难被发现的,特别是它的体积还非常小,使它就更难被探测到。但是有不少科学家发现,中微子遇到水的时候就会出现不一样的情况。当中微子从水中穿过的时候,会和水发生相关的反应,虽然这种概率很小,但是也是一个突破口。尽管中微子进入到水中的时候速度不会发生改变,但是在水中的时候能够发出切伦科夫辐射光。


中微子穿透力很强

超纯水就在这一环节起到非常重要的作用,不仅能够帮助科学家更好得发现中微子在水中的反应,而且还能够屏蔽其他宇宙射线对实验进行的干扰。

为何选择在地下1000米进行储水

基于这些,日本在对中微子进行实验之前就做了很多的准备工作。20世纪五十年代,日本的东京大学发起了一个针对中微子的研究项目,这为后来日本著名的中微子探测装置——超级神冈探测器设计的成功铺垫了足够的理论的基础。


中微子探测器

在实验刚开始的时候,实验接收到的资金并不多,同时期的美国团队虽然资金丰厚不少,但是在相关技术条件上是落后于日本的。比如在光电倍增管的技术上,美国在这领域的技术应用远不如日本,当时的日本在该领域堪称世界第一。光电倍增管在实验中发挥着非常重要的作用,作为光探测器,可以能够捕捉中微子的冲击波,从而观测到相关的反应。


光电倍增管

也就是说技术水平已经达到了,除了资金之外,阻碍实验进行的还有日本的地理状况,因为中微子的实验需要高山来作为背景屏蔽各种噪音,可是日本是一个岛国,在高山中进行实验是不可能的事,这也成为困扰项目进行的一个非常重要因素。


日本很难见高山

虽然当初日本团队想要与中国进行合作,但是后来因为各种条件限制,日本团队只能在国内想办法。这个时候他们想到既然没有高山,那么把实验放到地下进行,效果跟高山也是一样的,团队就四处寻觅合适的地点,终于在神冈町找到了一个废弃的矿井,为了更好地保证实验效果,团队特地选在了1000米的地下,这是因为宇宙射线中有很多的粒子,如果深度不不够,那么就探测不到中微子。中微子即便在这样深的地下也可以轻松地穿透地质环境,这就保证了实验的准确性。


超级神冈探测器

除了对环境有要求之外,就如上面所说,研究中微子对于水质也有很高的要求,必须保证水的纯度,所以日本就储备了几千吨的超纯水来保证中微子在穿过纯水的时候能够产生反应而被探测到。

日本团队走过的艰难20年

就是在这里,日本团队开始进行“神冈核子衰变实验”,20年的时间日本团队都为了一个结果,那就是发现这个最为神秘的粒子。虽然日本团队的实验投入不如美国团队,选址也对实验受到了不小的限制,但是就是在这样的条件下,日本的神冈探测器还是在1987年发现了大麦哲伦星云中超新星1987A爆炸时产生的中微子,这次的发现意义非同寻常,这是来自太阳系以外的天体产生的中微子,属于科学世界新的巨大发现。


超新星爆炸

这也大大激励了日本团队,使科研工作有了很大的动力。也由此让探测装置再次升级,成为了后来的“超级神冈探测器”,在扩建之后,探测的物质就从几千吨超纯水,直接提升到了50000吨。在1996年正式投入使用之后,两年的时间这个超级神冈探测器就开始发布中微子探测结果,也为日本带来了两个诺贝尔奖。


中微子振荡研究获诺贝尔奖

在取得不错的成绩之后 ,日本探索的脚步也没有停止,2019年的时候日本宣布将要建造新一代的基本粒子观测设施“顶级神冈探测器”。由于是“神冈探测器”和“超级神冈探测器”的升级版,该探测器承担的任务也更重些,性能更强些,它的目标是迈向更加深奥的领域,比如探索宇宙的起源和物质的诞生,这也被认为是日本冲击诺奖的野心计划。


超级神冈探测器

该计划中,日本依然延续了此前“超级神冈探测器”在地下进行实验的方法,选址就在“超级神冈探测器”附近,这次新的探测器较以前的确有了很大的升级,从原来的50000吨纯水直接提升到了26万吨,水量是“超级神冈”的5倍。此外,在计划中还对水塔内的探测设备进行了升级,计划将安装超高精度的光传感器,这在探测精度上就比之前提高了10倍,而这些探测器的使用寿命也是20年左右。

结语

从上个世纪50年代开始,到80年代发现中微子,日本团队克服各种困难用了将近20年的时间,从超级神冈探测器完成升级到第一次发现中微子时间就缩短了将近一半,可以说在科研方面,日本的确有很多地方是值得我们学习的。


神冈探测器的模型解剖图

日本的升级版探测器将在2026年完成,这也意味着日本的探索之路将提升到更高的阶段。如今科学技术也在不断发展,在这些科技的帮助下人类对于所处的这个世界的认识也越来越深入,未来还将发现更多宇宙的奥秘!

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