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地球上最清的水能有多清?

图片:Yi Yang / 知乎用户

Yi Yang,进一寸有一寸的欢喜

最纯净的水有上限,那就是除了水什么都没有:没有悬浮的杂质,没有溶解的离子,甚至没有溶解的空气。虽然这只是理论上的上限,但是目前确实可以通过种种手段,制备出来这样的超纯水,纯到不导电,电阻率达到 18 兆欧姆·厘米,是优良的绝缘体。

然而问题是,这样的水装一瓶拿给我,看上去和纯净水,甚至不纯净的矿泉水都是一样的,看不出来谁更清。

所以想要说哪里的水最清,还有一个很重要的因素,就是水要多,多才能看得出来清。如果有个地方,有一大桶几乎绝对透明的水,这个桶比一栋楼还大,是不是很想去看看。

这个地方在日本。

在日本岐阜县飞驒市神冈町的茂住矿山地下 1000 米之下的地方,东京大学建造了一座探测器,叫超级神冈探测器,可以探测来到地球的中微子。

中微子的特性是速度接近光速,静止质量极小。对于中微子来说,整个地球几乎是透明的。也就是说,每时每刻都有非常多的中微子穿过整个地球,而没有和地球上的任何东西产生互动,当然也就不会被我们探测到。

而其中极小的一部分会在穿过地球的时候极其幸运地与地球上的物质产生作用,而这个中微子探测器就是要在这些极其幸运的事件发生的时候,找到中微子留下的线索。

这个极其幸运的事件就是中微子一头撞在原子核上。原子核的直径只有 原子的几万分之一,原子核之间则是广袤的空间。这也是地球对中微子几乎透明的根本原因。如果原子是一个 20 平米的房间,原子核就是一个一根头发切出来的长宽一致的头发丁。如果一个中微子足够幸运撞到一个原子,还需要在这个房间里找到那个头发丁。而去撞这个头发丁的小子弹,直径是头发丁的一亿分之一。

一旦当这个幸运事件发生,中微子与原子核相撞之后,会释放出轻粒子,而轻粒子会进一步产生切连科夫辐射,释放出紫外频段的光,甚至可见光。

所以为了看到中微子留下的那一点点线索,我们需要一个足够大的靶子,还需要很多眼睛盯着这个靶子。

这个靶子就是水,5 万吨的超纯水,放在一个不锈钢大桶里面,相当于把 20 个奥运会标准泳池的水倒在一个桶里面。光是装满这个桶,就用了 2 个月的时间。

这个桶直径 39.3 米,深度 41.4 米。相当于一个单层 1200 平米,13 层的高楼。

右下角有两个工作人员在船上。看不清没关系,放大了看。

而眼睛则是一万多个光电倍增管。就是上图中的金色的圆球。光电倍增管可以把光信号放大 1 亿倍,使得极其微弱的光信号也可以被检测到。

而这一切,需要浸没在满满一桶超纯水里面。如果水不够纯净,就会带来干扰,让中微子留下的那一点点线索淹没在噪音里。这就意味着,在光学意义上,这桶水是几乎绝对透明的,这样一个可见光透明的靶子,才能让这一万多只眼睛可以发现中微子经过的痕迹。

为了维持这一桶水的纯净,这些水会不断的被循环净化,除掉里面的颗粒物,电解质,甚至溶解在水中的空气,将水的电阻率维持在 18.2 兆欧姆·厘米,几乎达到水的理论极限。

甚至这个桶里面剩余的空气,也是净化过的空气,甚至移除了空气中的氡气,以避免氡气辐射带来的干扰。

这个中微子探测器位于地下 1000 米的废弃矿井中,目的就是尽可能地隔绝宇宙射线或人类活动的干扰。

这里除了这一桶水和一万多只眼睛之外,什么都没有。它们就这样在地下 1000 米的黑暗中,等待某个中微子穿过茫茫宇宙,幸运地一头撞到某一个小小的原子核,发出那么一点点的微光。

听起来是不是很寂寞。

这还不是最寂寞的。

超级神冈探测器(及其前身神冈探测器)建设的初衷,是观测这个宇宙的一个非常基础的问题:质子衰变。20 多年过去了,暂时还没看到。

怕什么真理无穷。

 

 

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