日本要在地下1800米,存放26萬噸超純水,有什麼目的?

樂享網 2021-03-01

1982年,在一座廢棄多年的礦山之下1000米,日本斥資1億美元,耗時多年建造了一個直徑和高度大約為40米的圓柱體不銹鋼容器,裡面裝著5萬噸的超純水,其純度高達99.999999%。

2020年,日本又斥資6億美元,在地下1800米的地方,開始建造更為龐大的圓柱體不銹鋼容器,計畫7年建成。新容器的直徑和高度大約為70米,其中能夠裝下多達26萬噸的超純水。

那麼,日本在地下深處存放這麼多的超純水,到底想要幹什麼呢?

事實上,日本建造的容器是一種尖端的科學儀器,用於探測宇宙中極為神秘的中微子,該儀器被稱為超級神岡中微子探測器。未來要建成的是世界上最大的中微子探測器——頂級神岡探測器。至於為什麼要用到這麼多超純水,這與中微子的特性有關。

根據粒子物理標準模型,中微子是一種電中性的基本粒子。中微子的靜品質接近於零,這意味著它們的運動速度可以足夠趨於光速。那麼,中微子該如何探測呢?為什麼又要這樣大動干戈地去尋找中微子呢?

就目前所知,自然界中的一切力的相互作用,都可以歸結為四種基本自然力——強核力、弱核力、電磁力與引力。當粒子之間出現這四種基本相互作用時,就能探測到它們的存在。

然而,中微子不參與電磁力和強核力的作用,它們本身非常輕,引力作用極弱,而且弱核力的力程又極短,所以中微子極難被直接探測到。中微子可以直接穿透物體,而不會引起什麼變化。

在宇宙中,中微子主要來自於太陽。太陽內部進行氫核聚變,每秒能夠產生200萬億億億億(2×10^38)個中微子,其能量占太陽總輸出能量的1%。每秒鐘都會有9萬億億億(9×10^28)個中微子穿過地球,穿過人類身體的中微子每秒可達95萬億個。

雖然每秒有大量的中微子穿過地球和我們的身體,但它們只是穿過去,幾乎不會產生什麼反應,所以我們根本無法感知到。只有借助超級神岡這樣極其靈敏的中微子探測器,才能捕捉到零星幾個中微子。

在超級神岡探測器的內壁,裝有1.12萬個光電倍增管。探測器中注入了5萬噸的超純水,水中的各種雜質都被一一除去,使其幾乎只有水分子。另外,空氣也被淨化過。只有這樣,才能確保雜質不會干擾到中微子產生的微弱效應。

中微子幾乎都是直接穿透超級神岡探測器,但偶然有零星的中微子會撞上水分子中的氫和氧原子,由此產生速度極高的粒子,它們在水中的傳播速度快于水中的光速,這就會產生短波長的切倫科夫輻射。光電倍增管可以把這種十分微弱的光信號轉換成電信號,這樣就能探測到中微子。

1987年,大麥哲倫星系中爆發了一顆超新星——SN1987A,它能釋放出多達10^57個中微子。超級神岡探測器捕捉到了11個中微子,這是人類史上首次接收到了超新星產生的中微子。

超級神岡探測器的發現不僅在於開啟了一門全新的天文學分支——中微子天文學,而且還能為預警超新星爆發提供了可能。雖然中微子的速度略慢於光速,但它們先被釋放出來,早於伽馬射線暴3小時抵達地球。

研究中微子,還有助於探測極為神秘的暗物質,因為中微子有可能是一種暗物質粒子。超級神岡探測器已經取得了一系列重大發現,多位物理學家因此而獲諾貝爾物理學獎。有了超級神岡的經驗,日本正在建造更為靈敏的中微子探測器,也就是頂級神岡探測器,它能為我們揭開更多的前沿物理學之謎。

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