上世纪九十年代,日本斥巨资在岐阜县飞驒市神冈町茂住矿山地下1000米的深处,修建了一个高41.4米,直径达39.3米的圆柱形不锈钢容器,这个容器的内壁上分布着密密麻麻的金色圆球。
这个圆柱形不锈钢容器被称为超级神冈探测器,里面储存了5万吨超纯水,大约相当于20个标准游泳池的水量。
日本为什么要花这么大的力气在地下储存这么多超纯水呢,其目的何在?
中微子是轻子的一种,它是组成自然界的最基本的粒子之一,通常用符号希腊字母ν表示。中微子既不带正电荷也不带负电荷,所以它的性质是中性的。科学界从预言中微子的存在到发现它,用了20多年的时间。
研究表明,太阳内部进行核聚变时会产生大量的中微子,其中一部分会飞往地球。
中微子被称为“宇宙中最难以捉摸的猎物”,它难倒了一众物理学大咖,就连量子力学的奠基人波尔都差点为了它而放弃能量守恒定律。
由于不带任何电荷,中微子不会与物质发生相互作用。我们可以举个例子,手电筒的光照在墙壁上,光线就会被墙壁挡住,而中微子射过去,墙壁却会像不存在一样,直接被穿透。其实不单单是墙壁,整个地球都会被中微子直接穿透。物理学家猜测,每一秒钟大约有100万个中微子穿过人类的身体。
中微子极其微小,肉眼根本看不到,就连组成原子的最小单位夸克也比它大两个数量级。
中微子在真空中的速度接近光速,而且它的体积几乎可以忽略不计,所以中微子很难被探测到。不过,一些物理学家通过研究发现,中微子遇水则会出现不一样的情况。
首先,中微子在水中的速度不会变小,而众所周知,光在水中的速度会减小约四分之一。其次,当中微子从水中穿过时,有可能与水发生反应,尽管这种概率很小,但也算是一个突破口。最后,中微子进入水中会发出切伦科夫辐射光。
超纯水就在这一环节起到非常重要的作用的。它不但能够帮助科学家更好地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造成的干扰。
我们平时接触到的水都是含有杂质的,不管是自来水、矿泉水还是蒸馏水,无一例外。泉水中含有大量的矿物质,自来水中含有泥沙、铁锈、藻类、悬浮物和微纤维等杂质,通常我们认为最纯净的蒸馏水中也含有极少量的杂质。
而超纯水又称UP水,是指电阻率达到18 MΩ*cm(25℃)的水。这种水中除了水分子以外,几乎没有什么杂质,更没有细菌、病毒、含氯二噁英等有机物,当然也没有人体所需的矿物质微量元素,也就是几乎去除氧和氢以外所有原子的水。
日本超级神冈中微子探测器中储存的5万吨超纯水,就是为了捕捉中微子,并利用它来进行一系列科学实验。
为了维持超纯水的纯度,这些探测器中的超纯水一直处于循环和净化之中,力求尽一切可能清理掉其中的微量杂质。
然而,即便超纯水已经达到了99.999%以上的纯度,但是由于辐射量实在太小,所以仍然很难捕捉到中微子。为此,科学家需要借助一种能够放大辐射信号的仪器,这种仪器就是光电倍增管。超级神冈探测器内壁上密密麻麻的金色圆球,实际上就是光电倍增管,它能够将切伦科夫辐射光的信号放大1亿倍。这样一来,就算是微弱到可以忽略不计的光芒,也能够被捕捉到。
另外,为了尽可能地屏蔽掉其他所有的干扰信息,中微子实验需要高山来作为背景。可是,日本是一个岛国,国内没有适合做实验的高山,所以他们就把做实验的地点放在了地下1000米深的废矿井中,这样也能达到屏蔽干扰信号的目的。
1996年,超级神冈探测器正式投入使用后,日本科学家利用它很快就探测到了中微子的痕迹,证实了超新星爆炸的理论,拉开了中微子天文学的序幕。围绕中微子研究的实验成果,也为日本带来了两个诺贝尔奖。
中微子的应用前景令人期待,科学家利用中微子在传播过程中不会发生衰变的特性,能够推算出每个星系的真实物质含量是多少。
除此之外,科学家利用中微子能够穿透物质的特性,也能够将它应用于通信领域。2012年,美国科学家就将一个中微子穿过了厚达237米的岩石,并把它携带的信息传输到岩石背面的接收器上。
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