日本在地下1000米,暗藏5万吨“超纯水”,20多年来目的何在?

基本粒子作为研究世界本质奥秘的对象,基于已经发现的粒子,人们提出了标准模型,能够较好地揭示一些待发现粒子的性质。在人类已经找到的基本粒子中,中微子算得上是十分神秘的存在。

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日本较早开始了对中微子的研究

因为要捕获到它们十分困难,中微子尺度很小,而且又不带电,能够穿透地球而难以被阻挡。要探测到这样的微粒,对于实验条件的要求极高。日本在这一块算得上有领先优势,日本的科研实力很强,获得的诺贝尔奖在各国中都排名靠前。

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为了研究中微子,早在上世纪50年代,日本就启动了寻找中微子的计划。中微子很难人工制造产生,利用加速器,人类可以撞击粒子获得新的粒子。然而像中微子这样的细微粒子,即使产生了也发现不了。

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它能穿透沿途的任何物质,不受电磁力的影响,只有引力能对其进行作用。但因为质量极小,所以引力效应可以忽略。不过人们发现中微子有一种特殊的现象,就是在穿过超纯水的时候,有一定概率会跟水发生反应。

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反应的概率很小,和水反应会发出辐射光,通过检测产生的光,就能得知中微子的存在。要保证能够发现其踪迹,就需要储备足够多的超纯水。

日本为发现中微子建造了50000吨超纯水探测器

日本为此打造了50000吨超纯水探测器,日本国内没有多少高山,想要建造中微子探测器,难度很大。不过它的技术条件已经达到了,有足够灵敏度的光探测器,能够检测到中微子和水作用产生的很微弱的冲击波。

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地表条件不适宜,日本研究人员就将方向投向了地下。他们在神冈町找到了一个废弃矿井,将实验场所选在了1000米的地下。较厚的地层能够阻挡大部分宇宙射线。而中微子作为一种特殊粒子,它能穿透地球,所以即使在1000米的地下,也能检测到宇宙中的中微子。

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中微子很小概率会跟水发生反应,为了找到细微的痕迹,日本研究团队一开始准备的探测器储备了几千吨超纯水。经过20年时间的探测,在1987年发现了中微子。

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后来又对探测器进行了扩建,储备的超纯水增加到了50000吨。更多的储备提高了发现中微子的可能性,2019年日本决定再次建造一个升级版的探测器,之前日本就因为在中微子领域的研究,获得了两次诺贝尔奖。

建造大型超纯水探测器有较大难度

这次的升级版探测器,储备的超纯水提升到了26万吨。探测设备也做了升级换代,精度相比上一代探测器更高,提高了10倍。日本打造规模更大的探测器,目的很明显是想在中微子研究领域继续保持领先,它还将在中微子领域取得诺贝尔奖。

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升级版的探测器预计将于2026年完成。每一次更新换代提升规模,花费的时间越来越长。要想获得更多的观测结果,就需要尽可能提高超纯水的储量。之后再升级就是储备上百万吨超纯水,要获得这么多超纯水,也不是一件容易事。

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超纯水的要求很高,需要经过蒸馏去离子化等步骤。存储的超纯水越多探测精度越高,而规模一旦加大到了一定程度,不仅影响因素会增加,而且所需的场地也十分浩大。在地下挖一个能容纳百万吨超纯水的场所,确实也是一项浩大的工程。

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日本的探测器设计使用年限在20年,下次要建造中微子探测器,得等到本世纪中叶。而它在中微子研究领域的投入越来越大,未来还将发现更多关于中微子的奥秘。

关于作者: 趣味科学官

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