日本在地下1000米深处，储存了5万吨超纯水，20多年来目的

　　作为一个四面环海的岛国，地狭人稠的日本拥有的自然资源并不丰富。比如石油和煤炭，这些都需要从其他国家进口才能满足需求。不过日本也不是什么资源都缺，日本的水资源十分丰富，这里的人均水资源就有3300立方米，比我国多了大约1200立方米。如今，水资源稀缺已经成为了一个世界性的难题，节约用水也是我们日常生活中经常听到的口号。
　　Tips：水资源是指可资利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的数量和合适的质量，并满足某一地方在一段时间内具体利用的需求。
　　因为地球虽然被称为水球，但能够供人类饮用的淡水资源实际上还是很少的。海洋中的水因为盐度太高，不能直接使用，淡化海水的成本又相当高昂，所以地球上可供人类使用的水资源并没有我们想象中那么丰富。而日本却把5万吨超纯水储存在了偏远城市的地下，一存就是20多年，这是为什么？
　　日本为什么要储存这么多超纯水？
　　超纯水，顾名思义，就是纯度非常高的水。这种水还有一个名字叫做UP水。判断水是不是超纯水的标准是：在25的环境下，这种水的电阻率是否能够达到18Mcm。意思就是，在一个边长为1厘米的超纯水正方体两侧之间，电阻能不能达到18千欧。电阻率能够反映水的纯度，电阻率越大，水的纯度就越高。
　　Tips：超纯水是为了研制超纯材料应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术生产出来的水，其电阻率大于18Mcm，或接近18。3Mcm极限值（25）。
　　在我们的日常生活中很少能见到超纯水，一般只有在实验室中才会对水的纯度有这么高的要求。在超纯水中，除了水分子之外几乎没有其他的物质。平时我们饮用的水需要消毒去菌，饮用水中也包含了人体必需的微量元素。但是无论是细菌还是这些微量元素，我们在超纯水中都找不到的。
　　由于超纯水中的含盐量特别低，如果人类长期饮用这种水，体内的渗透压就会随之改变，有引起体内细胞膨胀的可能。很明显，日本储存这么多超纯水并不是为了饮用，而是为了进行某种实验，这个实验其实和中微子有关。
　　Tips：细菌也对人类活动有很大的影响。一方面，细菌是许多疾病的病原体，可以通过各种方式，如接触、呼吸道、昆虫叮咬等在正常人体间传播疾病，具有较强的传染性，对社会危害极大。
　　在上个世纪80年代，出于探测质子衰变的目的，日本在岐阜县建造了一座名为超级神冈探测器的建筑。它位于一个废弃矿山中，更具体一点的位置是在一个1000米深的矿井里。从外表上来看，这座建筑就像一个圆柱体，高度为16米，直径为15。6米。作为检测材料的超纯水储量达到了3000吨，除此之外，光电倍增管也有1000只左右，它们的作用是让研究人员更加方便地探测到中微子的存在。
　　最开始的探测器并没有现在这么大的规模，而且由于技术方面的限制，检测装置的灵敏度太低，无法达到实验所需的检测目的，直到1985年才解决灵敏度不足的问题。
　　Tips：超级神冈探测器是日本东京大学在岐阜县飞驒市神冈町的茂住矿山一个深达1000米的废弃砷矿中建造的大型中微子探测器。
　　神冈探测器和美国探测器进行合作，在1987年2月让人类首次探测到了太阳系外天体爆炸时产生的中微子。这颗太阳系外天体是超新星1987A，位于大麦哲伦星云中。
　　这个结果让研究人员感到十分振奋，在这之后日本又花费了1亿美元扩大神冈探测器的规模，才变成了现在的超级神冈探测器。规模扩大之后，探测器里的超纯水也从3000吨增加到了50000吨，在各种设备上也应用了更加高端的技术，这样的升级给探测实验带来了质的飞跃。
　　Tips：大麦哲伦星系是本星系群中著名的河外星系之一，属矮星系。它是银河系众多卫星星系中质量最大的一个，位于剑鱼座和山案座交界处，距离约160，000光年。
　　超级神冈探测器在1996年正式被使用到探测实验当中，探测范围也有所扩大，从一开始的探测质子衰变，延展到了探测太阳和地球大气中的中微子，同时还要探测那些位于银河系中的超新星爆炸。这个探测器从1998年开始公布中微子的探测结果，帮助日本科学家拿下了多个诺贝尔物理学奖，比如2002年获奖的小柴昌俊，以及2015年获奖的梶田隆章。
　　什么是中微子？
　　现代科学已经证实，人类赖以生存的物质世界是由各种基本粒子组成的，而中微子也是构成自然界的基本粒子之一，属于轻子的一种。
　　Tips：中微子的发现来自19世纪末20世纪初对放射性的研究。研究者发现，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。
　　不过，中微子具有一种相当神奇的性质。尽管中微子的数量众多，而且几乎无处不在，但是它是一种中性物质，基本上不会和其他物质之间发生相互作用。即使在每一秒钟都有数十亿个中微子从我们的眼睛里通过，我们也完全感觉不到。因此，中微子也被称为宇宙中的隐形人，也被叫作幽灵粒子。
　　中微子的速度很快，几乎接近光速，而且体积非常小，本身不带电，我们只有在极其微弱的弱相互作用和引力相互作用里面才能找到它们。这种作用力的作用距离非常短，还不到1017米，这使我们寻找中微子变得十分困难。所以科学家们用了快30年的时间才直接观察到中微子的存在，此前都是通过间接的方式来证明的。
　　Tips：光速Lightspeed，是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。
　　随着对中微子的认识和研究的深入，科学家们发现，当中微子从水里穿过时，会有非常小的概率和水里的氢氧原子发生反应。因为光进入水后速度会变慢，比起真空里的速度减慢了25，而中微子的速度却不会减慢，所以中微子就在水中达到了超光速。由于中微子运动得比光还快，所以科学家们能够观察到它在水中发出的辐射光，这种光被称为切伦科夫辐射光。
　　日本选择在深达1000米地下存储5万吨超纯水的目的除了探测中微子之外，也是为了避免受到其他宇宙射线的干扰，以确保能够准确记录来自中微子的切伦科夫辐射光。
　　Tips：一般来说，肉眼看不见切伦科夫效应，但是当它的强度很大时，会在屏蔽某些核反应堆的池水中出现微弱的浅蓝色的光辉。
　　为此，超级神冈探测器中的电光倍增管从1000只增加到了11200只，就是为了放大切伦科夫辐射光的信号，让科学家们能够更加方便、精确地记录切伦科夫辐射。这个装置最大能够将辐射信号放大1亿倍，这让科学家们不仅能够观测到银河系中超新星爆炸产生的中微子，还能够观测到位于太阳系的中微子。
　　太阳是一颗无比巨大的恒星，就像是一个时刻发生聚变反应的大型热核反应堆，它一直在持续向宇宙中散射中微子，这些中微子的数量十分庞大，但是由于地球接受到的中微子只有一部分，所以我们无法估计太阳发射出的中微子到底有多少。
　　Tips：太阳目前正在穿越银河系内部边缘猎户臂的本地泡区中的本星际云。在距离地球17光年的距离内有50颗最邻近的恒星系，与太阳距离最近的恒星是称作比邻星的红矮星，大约4。2光年。
　　相关的物理研究表明，太阳每产生三个光子就会同时产生两个中微子，但一直以来，人类观测到的中微子数量始终比理论上应该观测到的少了三分之二，剩下的那些中微子就像消失了一样。
　　在1987年的那场超新星爆炸中，科学家们发现，观测到的中微子并不像以前那样有三分之二消失了。此后，有科学家猜测，中微子可能并不是只有一种，而是有三种，而且这三种中微子彼此之间能够发生相互作用，彼此之间还能够进行转化。
　　Tips：超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸都极其明亮，过程中所突发的电磁辐射能够照亮其所在的星系，并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。
　　这种猜测在后来的研究中被陆续证实。2001年，加拿大SNO实验证明了那些我们没有观测到的太阳中微子实际上是转化成了其他种类的中微子。只不过这三种中微子的特性不同，探测方法也不同，所以我们当时其实只探测到了其中一种。我们最开始发现的中微子是电子中微子，除了这类中微子之外，科学家还在1962年发现了mu型中微子，在1975年发现了tau型中微子。
　　南极冰立方探测器
　　探测中微子的存在具有十分重要的意义。因为中微子在宇宙中无处不在，是密度最大的粒子。
　　Tips：加拿大是高度发达的资本主义国家，是世界工业大国和西方七大工业国之一，制造业和高科技产业较发达，资源工业、初级制造业和农业为国民经济的主要支柱。
　　而且它具有不与一般物质发生作用的特性，所以当遥远恒星里的中微子离开恒星后，它身上依然能够携带相关的信息，通过探测这些信息，能够帮助我们了解包括太阳在内的恒星的起源和演变过程。而且，科学家们一度认为中微子和宇宙中最神秘的物质暗物质有关，如果能够解开中微子的秘密，那么人类对宇宙的起源和发展也将有更深入的认识。
　　这个理论应用在地球上也是一样的。由于技术原因等限制，我们一直无法深入了解地球内部的构造和物质组成，如果能够探测到来自地球内部的中微子，那么我们就可以知道地球深处的地核构造，以及地球的演变过程。到那时候，地球深处的秘密就不再是秘密了。
　　Tips：暗物质Darkmatter，是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。
　　因此，人类一直在坚持不懈地探测和研究中微子，除了超级神冈探测器之外，在南极洲冰冷的荒地上也有一个巨大的粒子探测器，那就是冰立方探测器。和超级神冈探测器一样，我们是无法在地表上找到这个探测器的，因为它几乎整个都被深埋在冰层之下。
　　冰立方探测器大约占据了一立方千米的空间，该仪器覆盖了南极一平方千米的地表，并且向下延伸到1500米的深度。科学家和工程师组在探测器中安装了一个篮球大小的仪器，这个仪器被称为数字光学模块，又叫DMO。数字光学模块通过大量电缆与计算机相连，通过捕获中微子撞击冰层时发出的光来探测中微子的活动，几乎能够实时收集有关中微子活动的原始数据。
　　Tips：南极洲Antarctica，围绕南极的大陆，地球七大洲之一。位于地球南端，四周被太平洋、印度洋和大西洋所包围，边缘有别林斯高晋海、罗斯海、阿蒙森海和威德尔海等。
　　在这里有来自11个国家的250位科学家，他们都在致力于寻找和研究来自太阳系以外的高能中微子。高能中微子十分罕见，2010年，科学家们探测到了两个高能中微子，2012年又探测到了26个，其中包括有史以来观测到的能量最高的中微子。
　　科学家们认为，这些中微子不光可以帮助我们追溯其他恒星的起源，还能够追踪宇宙射线，这让我们更有可能找到那些来自地外的文明。
　　Tips：恒星会在核心进行核聚变，以产生能量并向外传输，然后从表面辐射到外层空间。一旦核心的核反应殆尽，恒星的生命就即将结束。在生命的尽头，恒星也会包含简并物质。
　　除此之外，这个探测器的实验目标还包括观测在伽马射线暴产生的中微子、进行暗物质的间接搜索、观测中微子震荡、预测超新星的爆炸以及观测惰性中微子的存在。
　　小结
　　由此可见，日本在1000米深的地下存储大量超纯水的目的是为了进行中微子的相关研究，并且已经取得了相当不错的成果。2019年，日本宣布将升级超级神冈探测器，使其成为一个拥有26亿吨超纯水的顶级神冈探测器，到时候，它的强度将是超级神冈探测器的数倍。
　　Tips：日本是一个高度发达的资本主义国家，是世界第三大经济体。其自然资源匮乏并极端依赖进口，发达的制造业是国民经济的支柱。
　　人类科学技术在不断进步，我们对中微子的认知经历了几个不同的阶段，从预测它的存在到发现并确认，人类花费了一百多年的时间，但是直到现在，中微子对人类而言依然是一种十分神秘的粒子。科学家们一直在努力试图解开中微子身上的谜团，希望能够从这种粒子身上找到宇宙相关的奥秘。