日本在地下1000米深处,储存了5万吨超纯水

如题所述

日本,这个岛国,自然资源并不丰富,经常需要向其他国家进口石油、煤炭等资源。然而,日本却拥有丰富的水资源。在世界面临水资源匮乏的困境时,日本却在一个偏远城市的地下藏起了5万吨超纯水。这是为什么呢?这背后有什么秘密吗?
日本为什么要储存这么多超纯水?这些水又不能喝。答案是,为了探测虚薯慧中微子。
在上个世纪80年代,日本为了探测质子衰变,在岐阜县的一个废弃矿山的矿井中,修建了一个名叫 “神冈核子衰变实验”的神秘建筑。这个建筑完工后,整个结构呈圆柱形,高16米,直径15.6米,内部装有3000吨水和大约1000只光电倍增管。
起初,因为灵敏度不够,没有达到探测目的。于是,在1985年开始扩建,这极大地提高了探测器的灵敏度。于是在87年2月,神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦星云中超新星1987A爆炸时产生的中微子,这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。
这次探测给了日本研究人员极大地鼓舞,他们决定对实验室进行扩建,耗资1亿美元建造了更大的探测器,也就是今天的“超级神冈探测器”。其中的探测物质从3000吨超纯水,增加到50000吨超纯水,各方面全面升级,可谓是鸟枪换炮。
1996年,“超级神冈探测器”正式被投入使用,探测范围从原来的探测质子的衰变,扩展到寻找太阳、地球大气的中微子,并观测银河系内的超新星爆发。
自1998年,超级神冈探测器开始发布中微子探测结果起,就给日本科学界带来了多个诺贝尔物理学奖桂冠,例如小柴昌俊(2002年)以及梶田手哗隆章(2015年)。
中微子,作为宇宙中的基本粒子之一,它们的速度非常接近光速,而且个头小、不带电,只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用。而且这种力的作用距离极短(小于10^-17米),这个范围其实就是原子核内的夸克层面。
因为中微子,不与其他物质反应的性质,导致科学界花费了接近30年才直接观测到中微子。直到后来,科学家发现,中微子在水中穿行时,又极小的概率与水中的氢原子与氧原子发生反应。由于光在水中的速度只有真空中的75%,而接近光速的中微子,在水中的速度比光还快,中微子在水中的“超光速”会发出一种独特的辐射光,切伦科夫辐射光。
而日本之所以会在地深处1000米的地方装上5万吨超纯水,一个是为了更好地与中微子反应,另一个就是为了避免接收到出中微子外其他的宇宙射线,保证中微子发出的切伦科夫辐射光能被准确的记录下来。
为了记录这些辐射光,科学家在超级神冈探测器的内壁上设置了1.12万个光电倍增管,其功能是将辐射光信号尽可能地放大(可以高达1亿倍)。工作时,这一万多个光电倍增管就是一万多只眼睛,它们在黑暗中忠实的记录着中微子在超纯水中反应发出的切伦科夫辐射光信号。
事实证明这个装置十分有效,不仅首次观测到超新星爆发时散射的中微子,还观测到来自太阳系的中微子。
是的,这些会“隐身”的中微子就是来自于太阳。太阳这个巨大的恒星,相当于一个大型的热核反应堆,无时不刻进行着聚变反应,向宇宙散发出无数的中微子。因为地球没有完全接受到来自太阳的中微子,所以无法估计中微子的数量有多大。
根据物理学家的研究表明,太阳每产生3个光子就会伴随产生两个中微子,但在相当长的时间里,地球上观测到的中微子数量只有理论的三分之一,这就是美国科学家戴维斯发现太阳中微子失踪之谜,他也因此获得了2002年的诺奖。
我们不禁会想这剩下的三分之二的中微子跑到哪里去了,凭空消失了吗?直到1987年观测到的一场超新星爆炸,那些产生的中微子并没有像太阳中微子一样消失了三分之二,于是科学界猜想,中微子可能不止一种,而是有三种,并且相互之间还可以互相转化,这就是日本东京大学教授小柴昌俊提出的“中微子震荡”假设。在2001年加拿大SNO实验也证实了失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。证实了中微子之间可以互相转化,并且中微子的数量不止一种。
现代科学研究告诉我们,中微子的种类上限为3,即有3种中微子。除了上述发现的电子型中微子之外,还有μ型中微子(1962年发现)和τ型中微子(1975年发现),每一种中微子都有相同的反中微子。
中微子的作用:
一、获得恒星内部的消息
二、地质学
三、核反应过程的诊断
四、军事领域
五、通讯方式
人类的科技在不断的进步,从预言中微子到发现,最终证实中微子的存在,科学界花了一个世纪的时间,但目前我们对于中微子还知之甚少。
日本在2019年发布将升级超级神冈探测器,为储水26亿吨的顶级神冈探测器,将拥有数倍超级神冈探测器的实力,我国的江门中微子实验,将最早于2022年开始收集数据,这个位于地下700多米深的中微子探测设施将进一步揭开中微子的神秘面纱。
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