超純水幽靈粒子

A. 日本將在地下1750米存放26萬噸超純水，究竟有何目的

水在地球上很常見，地表的七成覆蓋著海水，海水的總質量估計高達140億億（1.4×10^18）噸。另外，在地下深處1000公里，還隱藏著大量的水，總量估計與地表海水差不多。

但要說真正意義上純凈的水，地球上並沒有。在自然界中，水都會或多或少包含一些礦物質、微生物等雜質。不過，日本已經在地下存放了5萬噸超純水，也就是幾乎只有水分子（H2O）的水，未來還將會再儲存26萬噸的超純水，他們這么做究竟有什麼目的呢？

另外，超級神岡探測器還發現了中微子振盪，證明中微子並不像光子那樣沒有靜質量，只是非常低。憑借著這些重大發現，先後有多位物理學家因此獲得諾貝爾物理學獎。

預計在2027年，頂級神岡將會投入使用，它的靈敏度比上一代有了大幅提升。到了那時，新一代中微子探測器將有望揭開質子衰變之謎，甚至是宇宙起源之謎。而這一切都離不開看似平常的物質——水。

B. 日本將在地下1750米，存放26萬噸超純水，究竟有何目的

水在地球上很常見，地表的七成覆蓋著海水，海水的總質量估計高達140億億（1.4 10^18）噸。另外，在地下深處1000公里，還隱藏著大量的水，總量估計與地表海水差不多。

但要說真正意義上純凈的水，地球上並沒有。在自然界中，水都會或多或少包含一些礦物質、微生物等雜質。不過，日本已經在地下存放了5萬噸超純水，也就是幾乎只有水分子（H2O）的水，未來還將會再儲存26萬噸的超純水，他們這么做究竟有什麼目的呢？

這其實涉及到了追蹤宇宙中神秘的「幽靈粒子」——中微子。這是粒子物理標准模型中不可再分割的基本粒子，本身不帶電荷，質量極低，以十分接近光速的速度運動。

然而，想要探測到中微子極其困難，因為它們只極為微弱地參與弱相互作用和引力作用。中微子可以非常輕易地穿過諸如地球這樣的巨大物體，而不會引起什麼反應。

據估計，每秒有100萬億個中微子會穿過人的身體，其中大部分來自於太陽。在太陽的核心區域，氫核聚變產生伽馬光子的同時，也會釋放出大量的中微子。盡管每時每刻都有大量的中微子穿透我們的身體，但我們無法直接感知到它們的存在。

為了探測到難以捉摸的中微子，需要通過特殊的手段。在地下1公里深的礦山中，日本科學家建造了超級神岡中微子探測器。因為只有遠離地表，才能排除掉其他宇宙高能粒子的干擾。而中微子穿透性很強，探測器可以在地下深處來捕捉它們。

除了遠離地表，而且還要超純水。通過特殊的凈化系統，去除水中的離子、塵埃顆粒以及微生物等雜質，從而得到基本上只有水分子的超純水，純度可達99.999999%。

通常情況下，水可以導電，因為水中包含一些雜質，存在大量自由移動的離子。而超純水中只有水分子自偶電離產生的少量氫離子和氫氧根離子，其導電性幾乎沒有，電阻率為18.2 MΩ·cm，可以認為是半絕緣體。

只有去除掉水中的雜質，才有一定概率探測到中微子。當中微子與水分子發生相互作用之後（概率極小），將會釋放出速度極快的高能粒子，它們的速度會超過光子在水中傳播的速度，從而輻射出波長很短的電磁輻射，這就是切倫科夫輻射。

在超級神岡中微子探測器中，儲存著5萬噸的超純水，該研究項目耗資7億元人民幣。未來，日本還要建成超巨型神岡中微子探測器（頂級神岡），其中將會把26萬噸超純水深埋於1750米的地下，新研究項目的耗資將會超過50億元，建成後將會是世界最大的中微子探測器。

超級神岡探測器於1983年投入使用，它給人類帶來了一系列重大科學發現。1987年，超級神岡探測器探測到了大麥哲倫星系（距離16萬光年）中的一顆超新星所釋放出的中微子，它們比伽馬射線暴提前3小時到達地球，這個重要發現給未來預測超新星爆發提供了可能性。

另外，超級神岡探測器還發現了中微子振盪，證明中微子並不像光子那樣沒有靜質量，只是非常低。憑借著這些重大發現，先後有多位物理學家因此獲得諾貝爾物理學獎。

預計在2027年，頂級神岡將會投入使用，它的靈敏度比上一代有了大幅提升。到了那時，新一代中微子探測器將有望揭開質子衰變之謎，甚至是宇宙起源之謎。而這一切都離不開看似平常的物質——水。

C. 在地下儲存大量超純水，日本這是准備干什麼

這實際上包括在宇宙中追蹤神秘的「幽靈粒子」3354中微子。這是粒子物理標准模型中不能再分割的基本粒子，本身沒有電荷，質量很低，以非常接近光速的速度運動。探測中微子是極其困難的。因為它們只對弱相互作用和重力作用極其微弱。中微子可以很容易地穿過像地球這樣的巨大物體，而不會引起任何反應。

科學家們發現，我們的宇宙有四個基本作用：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和重力相互作用。重力相互作用可以在物質之間相互吸引，天體運動依賴重力相互作用。強相互作用能使粒子形成原子核，弱相互作用能保證原子核的穩定性。在電磁相互作用的情況下，我們日常生活中除重力以外的其餘力本質上是電磁力，保證原子結構的存在。我們能抓住東西，坐在椅子上，本質上是電磁相互作用造成的。中微子的質量很小，小到到目前為止無法完全測量中微子的質量大小。因此，中微子很少參與重力相互作用。其次，中微子是電中性的，不參與電磁相互作用，當然也不參與強相互作用，只有極小的概率參與弱相互作用。