日本科學家在地下存放了5萬噸超純水,他們的目的是什麼?

顧名思義,所謂超純水就是指非常純淨的水,電阻率達到18兆歐姆·公分(25℃)的水就可以稱為超純水。為什麼水的純淨度會與電阻率有關呢?這是因為水本身是電的不良導體,水中的雜質越少,電阻率就越大,相應的其導電性能就越小。

儘管超純水在自然界中是不存在的,但人類卻可以自己動手來製備,通常來講,超純水的製備量都很少,不過凡事都有例外,日本東京大學的科學家就在地下存放了5萬噸超純水。那麼他們的目的是什麼呢?答案就是探測宇宙中的「隱身粒子」——中微子。

探測中微子的難度有多大?

中微子是宇宙中的一種基本粒子,它們的運動速度通常都非常接近光速,強相互作用力和電磁力都不會對中微子產生作用,而由於中微子的品質又極小(一般小於電子品質的100萬分之1),因此引力對它的作用也幾乎等於零,也就是說,四大基本力中有三種都對中微子無效。

弱相互作用力對中微子有效,不過這種力的作用距離極短(小於10^-17米),這個范圍其實就是原子核內的誇克層面。簡單來講就是,只有中微子直接撞上了原子核內的誇克,科學家才有可能探測得到它們,那這種概率有多大呢?我們不妨來看一下資料。

原子、誇克和中微子直徑的數量級分別為為10^-10米、10^-18米和10^-20米,也就是說,如果把中微子放大成一顆直徑1公分的小球,那麼按照相同的比例放大,原子的直徑就有10萬公里,而位於這個原子中心的誇克的直徑則卻有1米。

由此可見,中微子擊中誇克的概率可以說低得令人髮指,所以在絕大多數時候,中微子都是直接穿過原子,我們根本就察覺不到,正因為如此,中微子也被稱為「隱身粒子」。

如何探測中微子?

宇宙裡中微子的數量相當巨大,對我們地球人而言,平均每秒鐘就有數十萬億個中微子穿過我們的身體。由此可見,儘管中微子撞上誇克的概率極低,但在如此多的中微子裡,仍然可能會有極少的一部分會與地球上的物質產生互動。

因此科學家只需要建造一個巨大的「靶子」,並對其進行嚴密的監測,就可能探測得到中微子,而日本科學家在地下存放了5萬噸超純水的目的,就是建造這樣一個「靶子」。

這個項目全稱為「超級神岡中微子探測實驗」(Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment),科學家將超純水裝在一個直徑39.3米、高41.4米的不銹鋼圓柱形容器之內,被深深地埋在日本岐阜縣飛驒市神岡町的一處深達1公里的廢棄礦井中。

為了保證水的純淨度,這裡的空氣都是淨化處理過的,而容器裡的超純水更是會被不停地進行迴圈淨化,去除掉其中所有能夠被去除的雜質。科學家認為,在地下1公里處,可以有效地避免地球表面的各種干擾,而超純水又幾乎是完全透明的,這樣就可以大幅度地提高發現中微子的可能性。

當中微子撞上了原子核中的誇克之後,會產生電子和μ子(μ子和電子一樣屬於輕子,其品質大約為電子的200倍,半衰期只有2.2 x 16^-6秒),這些電子和μ子的速度極快,甚至會超過光在水中的速度,在這種情況下,就會產生切連科夫輻射,從而釋放出非常微弱的光信號。

為了探測這些光信號,科學家在這個容器的內壁上設置了1.12萬個光電倍增管(上圖中的金色圓球),其功能是將光信號盡可能地放大(可以高達1億倍)。

在處於工作狀態的時候,這些光電倍增管就像是1萬多隻眼睛一樣在黑暗中「盯」著容器裡的超純水,靜靜地等待著某個來自宇宙深空的中微子一頭撞在誇克上所發出的那麼一丁點微光。

如此精心的安排沒有白費,迄今為止,該項目已經多次探測到了中微子,從此拉開了中微子天文學的序幕,而日本科學家也因此獲得了兩個諾貝爾物理學獎(分別為2002年和2015年)。順便講一下,該專案其實還有另外一個目的,那就是探測質子衰變,不過這一目標始終沒有實現。

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