地下储藏5万吨淡水，用来实时监测宇宙，神冈探测器有何目的？

发布者：海月升时 2023-7-26 20:25

在全球大缺水的背景下，日本却在一个废弃矿山的地下拥有五万吨水的储量，而且这五万吨水并不是海水，而是珍贵的淡水。日本人储存这么多水在地下是否别有用心，还是说有什么不可告人的目的。

超级神冈探测器

五万吨水位于日本茂住矿山的地下一千米处，它有一个特别的名字叫作超级神冈探测器。这些水并不是以人们常见的储存水的方式储存在地上的，比如一个大水池，或者放在很多个水桶里，而是用一个高41米、直径39米的不锈钢圆柱容器装着的。

之所以叫探测器，是因为这个储存水的地方并不是为了某个特殊时刻存水，而是为了探测，水箱的外部全部都是探测器，共有11200个光电倍增管，用于探测中微子，探测是通过观察中微子与水中的氢原子氧原子的相互作用过程而完成的。

探测器1983年建成，刚建成时名为“神冈核子衰变实验”，这个设施的存在目的就是探测粒子物理学中的一个基本问题，即质子衰变。质子衰变可以用来解答物理学中的一个难题，为何宇宙中的物质比反物质多？

这个失衡的情况需要人类通过观测才能解答，而神冈核子衰变实验最初就是为了解答这个难题而建成的。后来探测器开始进行扩建，提高了其灵敏度，投入使用后，1987年，它发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子。

探测器观测中微子

生命体、物质、水、空气和宇宙的一切，可以说都是由基本粒子构成的。基本粒子的定义就像是最小分数一样，无法再次被分解了，而中微子就是基本粒子的其中之一。中微子有几个来源，首先是宇宙诞生的时候产生了大量的中微子。

因此中微子广泛存在于太阳和星星的内部。其次，当一颗大质量恒星崩塌的时候，也会产生大量的中微子。再次，宇宙射线射向地球的时候会先接触到大气层，接触过程中也会产生中微子。

最后，地球内部、核电厂的核反应堆、加速器等等也会产生中微子。中微子几乎是无处不在的，每秒都有数百万亿个中微子来自太阳，然后穿过人类世界，穿过人类的身体，它们是非常微小的基本粒子，甚至是人类体积的百分万之一。

宇宙的诞生和发展过程中有很多谜团，其中最大的谜团之一就是理论上讲，通过与“反物质”的双重湮灭，宇宙应该已经变成了“无物质宇宙”，但事实是人类和众多星球却仍存在于宇宙中。中微子很可能就是解密的关键。

超级神冈探测器的运作原理

超级神冈探测器用一个巨大的水箱，和一万多个光电倍增管进行观测研究。首先，它的实验的目的之一是通过对太阳中微子、大气中微子和人造中微子的观测来阐明中微子的性质。1998年，探测器发现了中微子飞行过程中发生的中微子振荡。

2001年，通过观测太阳中微子，探测器又发现了太阳中微子振荡。2011年，探测器还发现了人造中微子的第三种中微子振荡模式。阐明中微子的特性将帮助人类揭开早期宇宙中物质是如何产生的谜团。

其次，当中微子喷射出的带电粒子传播速度极高，在水中的传播速度甚至能够超过光速时，就会发出切伦科夫光。这种现象可以简单理解为水鸟在水面上快速行进时产生的水波。光电倍增管提供有关接收到的光量和接收时间的信息。

基于它们，带电粒子的能量、行进方向、位置和粒子类型可以被确定。最后，之所以5万吨水组成的探测器要在地下工作，主要是因为地球不断受到来自太空宇宙射线的轰击，而当宇宙射线与地球大气层碰撞时，会产生介子、电子和中微子等粒子。

这些粒子被称为二次宇宙射线，钻入地下后，许多具有研究价值的介子会失去能量并停留在土壤中。而覆盖探测器的山脉就像是一把遮雨伞，阻挡了干扰中微子观测的宇宙射线，宇宙射线即使想要穿透山脉，也会不断衰减。

因为中微子可以穿过任何东西，又在极少数的情况下才可以与物质相互作用，因此尽管大量中微子从太空中落下，但对它们的观察是非常困难非常难实现的。而它们在超级神冈探测大型水箱中可以相互作用，帮助人类更加方便地观察它们。