超纯水到底有什么用，日本为何在地下存储大量的超纯水

在日本池野山地下1000米的地层深处，有一个相当于15层楼高的神秘建筑，它的官方名称是“超级神冈探测器”

1996年至今，这座盛有5万吨100%超纯水的探测器，已经为日本制造了数个，诺贝尔物理学奖级别的成果。

而它所探测的，就是有着“宇宙幽灵”之称的中微子。

今天的物理学家告诉我们，人类所在的物质世界，是由各种基本粒子构成的，而中微子，也属于基本粒子之一。

不过，中微子有着非常奇特的性质：

那就是虽然它的数量极其之多，是宇宙中数量最为庞大的粒子之一，但由于它属于中性粒子，所以它不参与电磁相互作用。

这就导致，尽管每秒就有10万亿个中微子，正在穿过你的身体，但你却浑然不知，太阳射向地球的中微子，更是只有十万亿分之一，被地球上的物质吸收，剩下的中微子都穿过地球，飞向宇宙深处了。

不过，虽然中微子极难与其他物质发生相互作用，但当它在水中运动时，还是有极小的概率与的氢原子或氧原子发生反应的，且由于光在水中的速度只有真空中的75%，因此接近光速飞行的中微子，在水里的速度比光速还快。

这样一来就像飞机超音速产生音爆一样，中微子在水中也会因为"超光速"，而发出独特的切伦科夫辐射光。

日本之所以要在1000米深处的地下，存储5万吨超纯水，就是为了尽可能避免，除中微子以外，其他宇宙射线的干扰，并确保中微子产生的切伦科夫辐射光能被准确地记录下来。

恒星物理学家的计算表明，太阳每产生三个光子 就会伴随产生两个中微子，但在相当长一段时间内，地球上探测到的太阳中微子数量，只有理论计算的三分之一。

剩下的三分之二去哪了？没有人知道

1987年2月23日，天文学界目睹了一次，发生在16万光年外，大麦哲伦星云中的超新星爆发事件，但这次超新星爆发所生成的中微子数量，并没有和太阳中微子一样，消失三分之二。

于是物理学界猜想，中微子应该有三种，而不是一种，且三种中微子之间还会相互转化。

这种被称为，中微子振荡，的理论预测，在1998年，被日本超级神冈探测器，首次确认存在，这一突破也让负责中微子项目的小柴昌俊，获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

从预言存在，到发现，再到确认中微子振荡，物理学界用了将近一个世纪，但有关中微子的其他信息，人类还一无所知，也正因如此，中微子相关研究，现在已经成了物理学的热门之一。

2027年之前，日本超级神冈升级版，顶级神冈探测器将开始收集中微子数据，储水26万吨的顶级神冈，将拥有数倍于超级神冈的探测能力。

而我国的江门中微子实验，最早将于2022年开始收集数据，这个位于地下700多米深处的中微子探测设施，将进一步揭开中微子的神秘面纱，并且还有可能产生，诺贝尔物理学奖级别的科研成果。

在科幻作品里，中微子还是最理想的信息传递手段，因为它几乎不与其他物质发生作用，所以理论上一束携带信息的中微子，可以将信息传递到宇宙任何地方，且不会像电磁波一样发生畸变，丢失信息。

日本作为一个岛国， 自然资源并不丰富，经常要向别国进口石油、煤炭 ，但凡事都有利有弊，日本虽然极度缺乏工业原料，但却是个水资源大国。

在世界水资源匮乏的现在，水资源已经成为世界性的问题。但 日本作为一个水资源大国，却在一个偏远城市的地下藏起了5万吨超纯水 ，这是怎么回事？难道说又是日本的阴谋吗？

日本为什么要储存这么多超纯水？

超纯水，顾名思义就是超级纯净的水， 电阻率达到18 MΩ*cm（25 ）的水就称之为超纯水 。超纯水并不常见，一般只有在实验室才会用到。

因为这种水， 除了水分子外，几乎没有什么杂质， 不仅没有细菌，也没有人体所需的矿物质微量元素。如果意外喝下去，还会引起细渗透压变化，导致细胞膨胀甚至破裂，对人体造成损伤。

那日本储存这么多的超纯水来做什么？这些水又不能喝。答案是， 为了探测中微子 。

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， 完工后整个建筑呈圆柱形，高16米，直径15.6米，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，就在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，又对实验室进行了扩建，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）以及梶田隆章（2021年）。

什么是中微子？

现代科学证实， 人类所在的物质世界，是由各种基本粒子构成的， 中微子也是组成自然界的基本粒子之一，是轻子的一种。

不过中微子却有着非常奇特的性质， 虽然它的数量之多，在宇宙中无处不在，但却基本不与其他物质进行相互作用，是个中性物质， 因此就算每秒钟通过我们眼睛的中微子数十亿计，我们也浑然不觉，被称为宇宙“隐身人”。

最初提出中微子设想的是匈牙利物理学家泡利，当时的科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时，发现在这个过程中有一部分能量不知去向。于是开始开始质疑能量守恒定律，但年仅30岁的泡利坚信能量守恒定律，于是提出非凡的猜想：在此过程中， 必定还有一种不带电的、质量极小的与物质相互作用极弱，以至于无法探测到的新粒子放出来，是它带走了那一部分能量。 他把这种未知的粒子叫做“小中子”，就是现在说的“中微子”。

1942年，美国物理学家艾伦按照我国物理学家王淦昌提出的方法， 首次通过实验间接证实了中微子的存在。

在泡利提出“中微子假说”后的26年后，也就是1956年美国加利福尼亚大学莱因斯教授带领的团队，通过把400升醋酸镉水溶液作为靶液，放入新投入使用的核反应堆中（作中微子源），每小时测得2.8个中微子，这个结果与泡利的理论预测完全一致。 因为在实验中直接观测到了中微子，莱因斯于1995年获得诺贝尔奖。

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

因为中微子是质量极小的不带电的基本粒子。它广泛存在于宇宙的每一个角落， 平均每立方厘米就有300个左右，比其他所有的粒子多出数十亿倍， 对整个宇宙有着举足轻重的地位。

而且因为它几乎不与一般的物质产生相互作用，在恒星内部的中微子可以不受拘束地跑出恒星表面，因此只要探测到这些来自于恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。 得到太阳、超新星乃至整个宇宙内部的演化过程和内部结构的规律。

二、地质学

此外，由于中微子与物质相互作用的截面会随着中微子能量的提升能增大，利用高能加速器对中微子进行加速，产生的定向照射地层，与地层物质性互作用相互作用会产生内局部震动， 能够实现对深层地质的扫描和勘探。

而且地球内部的放射性元素衰变也会产生中微子， 捕捉这些中微子就可以得到地球内部结构的精确数据和演进规律， 让埋在地球深处的奥秘一览无遗。

三、核反应过程的诊断

也许中微子最明显的应用就是在核反应堆中。这一领域正在积极发展，并基于这些粒子正在创建各种传感器，从而能够实时监测核电站反应堆的功率，并了解其燃料的复合成分。

四、军事领域

1、 中微子雷达

因为核反应会产生大量的中微子，中微子可以轻易地穿透各种障碍物。所以通过中微子信号的探测可以发展出中微子雷达，实现对深海核潜艇和地下核设施的精准定位。

2、中微子武器

主要用于销毁敌人的核武器库。利用加速产生的中微子束定向照射核材料，可以将核材料点燃和销毁。

3、中微子天文学

通过中微子可以任意穿行恒星内外之间，通过研究这些中微子，可以发现甚至非常遥远天体的属性。因为任何恒星，其本质上都有一个热核反应堆，它们都会发射出大量的中微子。在研究过程中，科学家发现，随着恒星年龄的增长，它形成的粒子的数量在逐渐减少。在“临终时刻”，恒星会失去高达90%的中微子，这就是为什么中微子开始冷却的原因。

4、通讯方式

在这一领域，中微子还没有被真正使用，因为这些技术只停留在理论上。从1970年起美国就有科学家开始研究以中微子为载体的通信技术，因为中微子可以无障碍地任意穿行在事物内部，所以这就极大地促进数据在任何地方的传输，到地球的任何地方，甚至到达地表深处，认为中微子可以胜任全球点对点无线直连以及地面和深海之间电磁波难以完成的通信任务。而且这种通信技术还不会对人体造成辐射伤害，可以说是一种清洁、高效的电子通信方式。

结语

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2021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。

因为他们在矿山1000米的地下建立了一个非常大的工程，这是一个非常奇怪的设施，大约高41.4米，直径超过了39米，是一个不锈钢圆形柱的容器。

建造这个容器的目的就是在里面存放了超过5万吨的超纯水，现在已经过去了时间，这些超纯水一滴都没有被喝过，那么，日本在地下储存这些水质的作用是什么呢？当时有人说这是日本为了预防以后出现水资源短缺的问题，而进行的水资源存储，那么事实真的是这样吗？

其实这些水并不是为了喝的，而是进行一项非常重要的实验，通过这一设备的建立，还让日本的物理学家获得了诺贝尔物理学奖，这个神奇的名字叫做超级神冈探测器，它的主要目的就是为了探寻一种非常奇怪的物质。在被建立之后，前后有两位科学家获得了诺贝尔物理学奖，还有一个人去世，因而和诺贝尔物理学奖擦肩而过，他们三个是超级神冈探测器的共同创造者。

这个设备非常特殊，它并不是一个对外开放的池子，而是一个非常大的容器，这个容器当中需要进行定期的过滤，保持一定的清洁度，时时刻刻都有工作人员通过监控，对水质进行观察和监测，这5万吨的超纯水填满整个池子就需要两周的时间，容器也是经过特制的，在它的内壁上还有11,200个光电倍增管。通过这一仪器和5万吨超纯水，可以探测到质子衰变，以及大气中的中微子，通过这些发现，可以观测到宇宙当中超新星的爆发，可以说这是一个微型的宇宙观察器。

那么什么是中微子呢？在自然界当中它无处不在，可以任意的在宇宙和地球中穿梭，被称为是最高能的中微子，才确定了中微子的存在，它还有可能是来自于太阳系之外的产物，而这些超纯水就是为了检测到中微子的存在，只因油水保持足够的清洁度才可以观察到中微子的出现，因为它的出现以及离开是转瞬即逝的，如果水中有任何一点污染高能中微子就无法被监测到。因为在中微子，穿过水面之后会留下一定的残渣。