日本最高级别的超纯水（在地下1000米深处存储了5万吨超纯水）

说起水你会想到什么？是生命之源还是日常饮用的生活必需品？水在我们的生活中太常见了，无论在哪儿我们都能看见这种物质。作为生活物质来讲，水是必需品，人类生活无法离开水。从生命起源来看，正是因为有了水，地球才有机会发展出高等生命。

如今水在现代社会中，特别是在科学界，水都有非常重要的研究作用。而水本身也不仅仅只是氢氧化合物这么简单，工业上能制作出非“水”的重水，以此用作高端工业的重要原料。在一些科学实验方面，纯净水、蒸馏水能够很好地提升水的纯性，减小杂质对实验数据结果的影响。但是你听过超纯水吗？从字面的意思来看，超纯水是否就是比纯净水还要纯粹的水呢？

日本超纯水

超纯水，是一种极为接近高纯度的水，里面除了氢离子和氢氧根离子外，几乎没有其他的物质存在于水中，世上找不到有比这更为“纯净”的水了。超纯水不存在于自然界中，必须通过多重过滤、离子交换、除气、逆渗透、超滤等等一系列复杂的工艺，才能生产制造出这种水。

超纯水要经历如此复杂的制作工艺才能完成，肯定不是给人喝的，而是用于工业以及科学研究。在医药领域，超纯水可以适用在高敏感应用的色谱分析、聚合酶链反应上。由于超纯水极不稳定的状态，在清洗半导体、晶圆方面，超纯水也有着非常高效的清洁能力。

在日本的岐阜县神冈町，就有一个建在地下1000米的设施，二十多年来，日本在里面存放了5万吨超纯水。该处位置偏远，人烟稀少，在这里堆放储存的超纯水是否有作其他用途呢？日本目的何在？

Super-K

神冈町超纯水装置的设立，还要从日本上世纪80年代说起。日本科学界当时设立了一个科研项目，名叫“神冈核子衰变试验”。通过建造一个高16米，直径15.6米的圆柱形容器，容器能够储备3000吨水和大约1000只光电倍增管。希望借此项目的研究，探索了解粒子物理学的一个未解之谜——质子衰变。

在粒子物理学上，质子衰变是一个假设的放射性衰变。在假想的情况中，质子在衰变时，会变成更轻的亚原子粒子，这通常是π介子和正电子。但由于没有任何观测证据，质子衰变从来没有被证实真实存在。在大统一理论中，质子中的重子数被否定其不具有对称性，理论模型允许质子经X玻色子衰变，质子衰变超越了粒子物理的标准模型。

于是此项目中，神冈的装置里使用了大量的超纯水，超纯水中的分子存在基本质子，如果质子在观测中发生衰变，就会产生高速运动的电粒子。这种粒子的运动速度甚至可以超过水里的光速，而运动所带来的冲击波，也就是“切伦科夫辐射”，一种类似物体音速飞行产生的音爆。根据现有的理论，切伦科夫辐射就是质子衰变的信号，这种信号应该能被装置里大量的光电倍增管探测到。

在上世纪80年代，高能物理的火爆程度和发展不亚于今天的量子力学，欧美许多国家也在研究高能物理的相关话题。为了让该项目更加具有竞争力，实验领头人小柴昌俊加强了装置的光电倍增管，加强的光电倍增管带来的是指数级倍增，神冈装置探测电子的能力比原来提高了数千倍。

不过神冈探测器最终并没有如愿以偿的探测到质子衰弱现象，但该项目却无心插柳，意外地发现了太阳中微子的实际运动。于是小柴昌俊扩大了试验的适用范围，顺便还缓解了该项目的纳税花费负担。

与未知的质子衰变不同，太阳中微子是能够被观测到的，只需要适当地调整修改，就能够更好地测出中微子到来的时间、方向以及能量，这样便能建立出中微子的天体物理系统。

于是在1986年底，神冈探测项目改造升级并改名为神冈1，到了1993年，被升级为神冈3的探测机停止运行，超级神冈NDE开始了建设准备工作。原来的设备装置也换新到超级神冈上，90年代后期，耗资数亿美元的超级神冈探测器Super-K诞生。

Super-K深埋地下1000米左右，为的就是更好地避开地面上各种宇宙辐射的信号干扰，5万吨的储水量能够大范围搜寻中微子的运动变化信号。

中微子观察

关于中微子的观察，我们先来说说中微子这个奇特的基本粒子。物理学在科学巨人牛顿的各种理论发现之后得到了飞速发展，20世纪初，能量和动量守恒定律已经成为物理学的基本定律之一。

但科学家在随后的研究中发现，中子在β衰变成为质子和电子时，这种衰变过程会有能量亏损，并产生一种当时未发现的电中性粒子，科学家将其称作“中子”。但丹麦物理学家尼尔斯·玻尔却反对这种说法，而是承认能量、自旋角动量的不守恒。

一直到30年代中期，在索尔维会议上，奥地利物理学家沃尔夫冈·鲍利阐述说明了中微子研究存在不严谨的逻辑推断。他建议物理研究学者应该仔细检试β衰变的能量上限，中微子也在这次会议中宣布“存在”。后来在海森堡和狄拉克两位物理学家贡献的理论模型中，为粒子物理相关实验提出了坚实的理论基础，玻尔也不再坚持β衰变在动量守恒中的失效，中微子的实验检试在这时拉开了序幕。

到了1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯带领了一批科学团队，并在霍姆斯特克的一个地下矿井中建造了一个大型中微子探测器。该探测器发现了太阳中微子的数量只有标准太阳模型数量的三分之一，该发现便是在后来一直困扰学术界三十多年的“中微子震荡”。

时间终于来到这时的日本，在神冈探测器升级到神冈3不久后，小柴昌俊在完成之前的神冈项目时，即将面临退休。中微子作为临时添加的计划，神冈项目组成员为了尽量获取更多的成果，在探测中微子方面才让Super-K发挥了用武之地。

根据之前的理论研究，宇宙中的超新星爆发能够产生巨量的中微子，而上一次的超新星爆发还是由17世纪初开普勒所记载。不过幸运的是，银河系邻近的一个星系大麦哲伦云里发生了一次超新星爆发。这是自开普勒超新星爆发观测以来最明亮的一次爆炸，即便是用肉眼也能看见爆炸发出的亮光。

Super-K和美国的霍姆斯特克探测器近乎同时接收到了超新星爆炸所发出的信号，观测到了19个中微子运动，这是人类首次探测到来自太阳系以外的中微子。

高能物理研究

得益于Super-K的优秀的“视力”，神冈项目的科学人员在1998年宣布找到中微子震荡的证据，测出了粒子中，中微子的“味”差异。在粒子物理学中，“味”是基本粒子的一种量子数，用以描述量子系统中动力学的守恒数值。另外在量子色动力学里，味又是一种总体对称，在电弱交互作用下，这种对称性被打破，例如夸克衰变或者中微子震荡，这种改变被称作味变。

研究人员对中微子震荡的观测中发现，中微子在生成时伴随的电子、渺子、陶子出现，会有不同的味转化。另外，加拿大的物理学家阿瑟·麦克唐纳在中微子震荡中的三味转化里，确认了太阳中微子在到达地球的途中发生了一种能量相互转换，这个发现基本解决了太阳中微子的问题。

在后续的实验中，实验结果也证明了中微子震荡的存在，确定了太阳中微子的中微子味变转换机制。另外一方面，日本神冈研究团队的梶田隆章确认了大气层中的中微子震荡。

中微子的相关发现和中微子震荡运动的观测，在物理学界激起了新的浪潮。此前很长的一段时间里，中微子都是认为不存在或者说没有质量的粒子。但这一系列的观察打破了人们的固有的认知，实际上在中子变成质子和电子的过程中就能产生中微子，其产生时的动能可以达到百万伏特。只不过中微子的质量非常小，难以被观测到。

进入21世纪后，日本神冈项目团队的小柴昌俊在2002年因在高能物理的粒子研究方面，作为先驱而获得了诺贝尔奖。退休后的小柴昌俊将项目交由给了自己的弟子及学生。

户冢洋二和梶田隆章成为了神冈项目的主要带领人，但户冢洋二后来因为癌症去世，主要项目便继承在了梶田隆章身上。大气里的中微子震荡研究也在后来因梶田隆章和麦克唐纳的出色贡献，在2015年，两人都获得了诺贝尔奖。

现今

如今的神冈项目在最近的一两年已经开始迈向更精确的探测研究上，中微子的观测虽然已经开始逐渐丰富，但它的具体数值仍然是个迷。日本政府也在大力扶持东京大学和神冈项目的研究，在未来将会建成“顶级神冈探测器”，在储水量方面比超级神冈多出5倍，光电倍增管增加至4万个。项目将会在2026年进行数据收集，继续探寻中微子的谜团。

近年来我国对于中微子的相关研究也在开始逐步进行，在中微子的震荡模式中，我国的大亚湾中微子实验发现了第三种震荡模式，在粒子的“CP破坏”上有了重要进展。

随后相关的各种建设项目也在逐步开展，新的江门中微子实验装置将会在2022年完成建设，并取代大亚湾的中微子实验装置。将会把重点主要放在天体中微子、地球中微子领域寻求探索，共同助力于高能物理的研究。

在研究宇宙起源、量子色动力学、粒子物理中，中微子的相关研究无疑推动了高能物理的进步。这让人类在现代物理上又向前迈出了一步，而这一切离不开众多科学家们的努力。

如今的物理学开始穿插许多不同子类方向的研究，同时又综合了大量的相关学科。科学早已不再是一个人的事，曾经像牛顿、爱因斯坦等人以一己之力推动物理学进步正在逐渐成为过去。科学研究需要人们共同去努力合作，才有机会看到更多可能。

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