【科學科普】日本將在地下1750米,存放26萬噸超純水,究竟有何目的?建成之後將會是世界之最

天空之城 2020/12/17 檢舉 我要評論

水在地球上很常見,地表的七成覆蓋著海水,海水的總質量估計高達140億億(1.4×10^18)噸。另外,在地下深處1000公里,還隱藏著大量的水,總量估計與地表海水差不多。

但要說真正意義上純淨的水,地球上並沒有。在自然界中,水都會或多或少包含一些礦物質、微生物等雜質。不過,日本已經在地下存放了5萬噸超純水,也就是幾乎只有水分子(H2O)的水,未來還將會再儲存26萬噸的超純水,他們這麼做究竟有什麼目的呢?

這其實涉及到了追蹤宇宙中神秘的「幽靈粒子」——中微子。這是粒子物理標準模型中不可再分割的基本粒子,本身不帶電荷,質量極低,以十分接近光速的速度運動。

然而,想要探測到中微子極其困難,因為它們只極為微弱地參與弱相互作用和引力作用。中微子可以非常輕易地穿過諸如地球這樣的巨大物體,而不會引起什麼反應。

據估計,每秒有100萬億個中微子會穿過人的身體,其中大部分來自於太陽。在太陽的核心區域,氫核聚變產生伽馬光子的同時,也會釋放出大量的中微子。儘管每時每刻都有大量的中微子穿透我們的身體,但我們無法直接感知到它們的存在。

為了探測到難以捉摸的中微子,需要通過特殊的手段。在地下1公里深的礦山中,日本科學家建造了超級神岡中微子探測器。因為只有遠離地表,才能排除掉其他宇宙高能粒子的干擾。而中微子穿透性很強,探測器可以在地下深處來捕捉它們。

除了遠離地表,而且還要超純水。通過特殊的淨化系統,去除水中的離子、塵埃顆粒以及微生物等雜質,從而得到基本上只有水分子的超純水,純度可達99.999999%。

通常情況下,水可以導電,因為水中包含一些雜質,存在大量自由移動的離子。而超純水中只有水分子自偶電離產生的少量氫離子和氫氧根離子,其導電性幾乎沒有,電阻率為18.2 MΩ·cm,可以認為是半絕緣體。

只有去除掉水中的雜質,才有一定概率探測到中微子。當中微子與水分子發生相互作用之後(概率極小),將會釋放出速度極快的高能粒子,它們的速度會超過光子在水中傳播的速度,從而輻射出波長很短的電磁輻射,這就是切倫科夫輻射。

在超級神岡中微子探測器中,儲存著5萬噸的超純水,該研究專案耗資7億元人民幣。未來,日本還要建成超巨型神岡中微子探測器(頂級神岡),其中將會把26萬噸超純水深埋于1750米的地下,新研究項目的耗資將會超過50億元,建成後將會是世界最大的中微子探測器。

超級神岡探測器於1983年投入使用,它給人類帶來了一系列重大科學發現。1987年,超級神岡探測器探測到了大麥哲倫星系(距離16萬光年)中的一顆超新星所釋放出的中微子,它們比伽馬射線暴提前3小時到達地球,這個重要發現給未來預測超新星爆發提供了可能性。

另外,超級神岡探測器還發現了中微子振盪,證明中微子並不像光子那樣沒有靜質量,只是非常低。憑藉著這些重大發現,先後有多位物理學家因此獲得諾貝爾物理學獎。

預計在2027年,頂級神岡將會投入使用,它的靈敏度比上一代有了大幅提升。到了那時,新一代中微子探測器將有望揭開質子衰變之謎,甚至是宇宙起源之謎。而這一切都離不開看似平常的物質——水。

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