超纯水幽灵粒子

A. 日本将在地下1750米存放26万吨超纯水，究竟有何目的

水在地球上很常见，地表的七成覆盖着海水，海水的总质量估计高达140亿亿（1.4×10^18）吨。另外，在地下深处1000公里，还隐藏着大量的水，总量估计与地表海水差不多。

但要说真正意义上纯净的水，地球上并没有。在自然界中，水都会或多或少包含一些矿物质、微生物等杂质。不过，日本已经在地下存放了5万吨超纯水，也就是几乎只有水分子（H2O）的水，未来还将会再储存26万吨的超纯水，他们这么做究竟有什么目的呢？

另外，超级神冈探测器还发现了中微子振荡，证明中微子并不像光子那样没有静质量，只是非常低。凭借着这些重大发现，先后有多位物理学家因此获得诺贝尔物理学奖。

预计在2027年，顶级神冈将会投入使用，它的灵敏度比上一代有了大幅提升。到了那时，新一代中微子探测器将有望揭开质子衰变之谜，甚至是宇宙起源之谜。而这一切都离不开看似平常的物质——水。

B. 日本将在地下1750米，存放26万吨超纯水，究竟有何目的

水在地球上很常见，地表的七成覆盖着海水，海水的总质量估计高达140亿亿（1.4 10^18）吨。另外，在地下深处1000公里，还隐藏着大量的水，总量估计与地表海水差不多。

但要说真正意义上纯净的水，地球上并没有。在自然界中，水都会或多或少包含一些矿物质、微生物等杂质。不过，日本已经在地下存放了5万吨超纯水，也就是几乎只有水分子（H2O）的水，未来还将会再储存26万吨的超纯水，他们这么做究竟有什么目的呢？

这其实涉及到了追踪宇宙中神秘的“幽灵粒子”——中微子。这是粒子物理标准模型中不可再分割的基本粒子，本身不带电荷，质量极低，以十分接近光速的速度运动。

然而，想要探测到中微子极其困难，因为它们只极为微弱地参与弱相互作用和引力作用。中微子可以非常轻易地穿过诸如地球这样的巨大物体，而不会引起什么反应。

据估计，每秒有100万亿个中微子会穿过人的身体，其中大部分来自于太阳。在太阳的核心区域，氢核聚变产生伽马光子的同时，也会释放出大量的中微子。尽管每时每刻都有大量的中微子穿透我们的身体，但我们无法直接感知到它们的存在。

为了探测到难以捉摸的中微子，需要通过特殊的手段。在地下1公里深的矿山中，日本科学家建造了超级神冈中微子探测器。因为只有远离地表，才能排除掉其他宇宙高能粒子的干扰。而中微子穿透性很强，探测器可以在地下深处来捕捉它们。

除了远离地表，而且还要超纯水。通过特殊的净化系统，去除水中的离子、尘埃颗粒以及微生物等杂质，从而得到基本上只有水分子的超纯水，纯度可达99.999999%。

通常情况下，水可以导电，因为水中包含一些杂质，存在大量自由移动的离子。而超纯水中只有水分子自偶电离产生的少量氢离子和氢氧根离子，其导电性几乎没有，电阻率为18.2 MΩ·cm，可以认为是半绝缘体。

只有去除掉水中的杂质，才有一定概率探测到中微子。当中微子与水分子发生相互作用之后（概率极小），将会释放出速度极快的高能粒子，它们的速度会超过光子在水中传播的速度，从而辐射出波长很短的电磁辐射，这就是切伦科夫辐射。

在超级神冈中微子探测器中，储存着5万吨的超纯水，该研究项目耗资7亿元人民币。未来，日本还要建成超巨型神冈中微子探测器（顶级神冈），其中将会把26万吨超纯水深埋于1750米的地下，新研究项目的耗资将会超过50亿元，建成后将会是世界最大的中微子探测器。

超级神冈探测器于1983年投入使用，它给人类带来了一系列重大科学发现。1987年，超级神冈探测器探测到了大麦哲伦星系（距离16万光年）中的一颗超新星所释放出的中微子，它们比伽马射线暴提前3小时到达地球，这个重要发现给未来预测超新星爆发提供了可能性。

另外，超级神冈探测器还发现了中微子振荡，证明中微子并不像光子那样没有静质量，只是非常低。凭借着这些重大发现，先后有多位物理学家因此获得诺贝尔物理学奖。

预计在2027年，顶级神冈将会投入使用，它的灵敏度比上一代有了大幅提升。到了那时，新一代中微子探测器将有望揭开质子衰变之谜，甚至是宇宙起源之谜。而这一切都离不开看似平常的物质——水。

C. 在地下储存大量超纯水，日本这是准备干什么

这实际上包括在宇宙中追踪神秘的“幽灵粒子”3354中微子。这是粒子物理标准模型中不能再分割的基本粒子，本身没有电荷，质量很低，以非常接近光速的速度运动。探测中微子是极其困难的。因为它们只对弱相互作用和重力作用极其微弱。中微子可以很容易地穿过像地球这样的巨大物体，而不会引起任何反应。

科学家们发现，我们的宇宙有四个基本作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和重力相互作用。重力相互作用可以在物质之间相互吸引，天体运动依赖重力相互作用。强相互作用能使粒子形成原子核，弱相互作用能保证原子核的稳定性。在电磁相互作用的情况下，我们日常生活中除重力以外的其余力本质上是电磁力，保证原子结构的存在。我们能抓住东西，坐在椅子上，本质上是电磁相互作用造成的。中微子的质量很小，小到到目前为止无法完全测量中微子的质量大小。因此，中微子很少参与重力相互作用。其次，中微子是电中性的，不参与电磁相互作用，当然也不参与强相互作用，只有极小的概率参与弱相互作用。