引言

20多年来，日本在地下1000米深处存储了5万吨超纯水，看起来日本是在储存水资源，但为什么要储存超纯水，且埋藏在1000米以下？

若要探究一件事物的本质千万不要被表面现象带跑偏。实际上，日本要的不是水，而是水中的氢元素。储存纯水的也不仅仅是个容器，而是一个能放大辐射的探测器。其最终目的是探测地球上的中微子，将容器和纯水埋藏在地下1000米也是为了让其不受其他宇宙射线的影响。

探究中微子的原理是中微子在遇到氢元素时会放出辐射，科学家以此通过探测器检测出中微子的存在。那为什么日本会如此大张旗鼓的进行中微子的探测实验？中微子究竟能够给这个世界带来什么样的变化？

日本超级神冈探测器

超级神冈探测器是一个直径39.3米，高41.4米的圆柱形不锈钢容器。其内部的水箱储存了之前提到过的5万吨100%纯水。而将其埋藏在地下1000米是为了阻隔其他宇宙射线的讯号，让容器内部的物质不受影响。

纯水和超级神冈探测器的存在有着一个共同的目的：探测中微子。中微子一种电中性的粒子，所以其探测过程中放出的切连科夫辐射较小，不易被检测到。所以就有了超级神冈探测器内壁上的11200个光电倍增管，这些光电倍增管的作用顾名思义，是将中微子与氢原子反应放出的切连科夫辐射放大至能够被检测到的程度。

超级神冈探测器最初的版本SK-I于1996年4月在日本进行试验，由于其在实验过程中发生事故，第二次试验被推迟到了2002年10月，也就是SK-II。在若干年的不断升级和改造中，超级神冈探测器于2008年9月以SK-IV阶段一直运行到现在。

自这台机器诞生以来，就一直进行着有关中微子探测的相关试验。那说到底中微子到底是什么物质？能够让日本花如此多的经费和精力来投入其相关的研究。

中微子有哪些特性

由于中微子是呈电中性的，且质量非常小，因此中微子不参与强相互作用和电磁相互作用这两种是发生在强子和带电粒子之间的活动，而是只参与引力相互作用和弱相互作用。中微子参与的弱相互作用的距离非常的短，约为10^17至10^16 米，这使得中微子在穿过其他物体时几乎不会有什么阻碍。

中微子往往伴随着核反应的进行而诞生，人工进行核反应堆生产中微子是目前较为常用的方式。而地球上大部分中微子是由太阳内部核聚变反应所产生的，太阳放出的中微子数量远大于人工产出的中微子。地球被太阳照射的区域，平均每秒每立方厘米就有650亿个中微子穿过。

中微子的发现可谓是十分的曲折，1930年奥地利物理学家泡利在解释β衰变的试验中存在着一种未知的电中性粒子导致整个试验能量、动量和自旋角动量不守恒。然而这个观点却遭到了物理学家玻尔的反对，他提出β衰变试验中的能量并不遵循能量守恒定律。

在多个观点的相互碰撞下，这个问题与1933年的索尔维会议上才得以解决。物理学家在会议上听取了泡利的意见，探究了β衰变的能量谱有无上限，过程中发现了较大的中性粒子会衰变成一个质子，一个电子以及一个电中性的粒子即中微子，这才证实了泡利假说的成立。

20世纪60年代末，物理学家发现实验探测到的中微子数与通过太阳标准模型计算出的中微子数存在着差异，这与一些有关中微子质量的说法相矛盾。经过了一系列试验，证实了中微子在被探测到的过程中衰变成了μ中微子和τ中微子。最终在2013年的高能物理会议上相关研究者明确了中微子振荡的存在。

关于中微子的运动速度也是科学家们一直探究的性质。早在“中微子振荡”这一概念提出前，中微子一直被定义为质量为零且以光速运动的粒子，但证实了其质量不为零之后这一说法也就被推翻了。

2012年MINOS的实验结果表明中微子与光速相差±0.0012%，说明中微子的运行速度很可能大于光速，但实际的速度还要看中微子的质量是否满足超越光速的条件。

中微子应用的相关领域

为什么科学家们这么痴迷于研究中微子，日本为何斥巨资也要建造超级神冈探测器和储存5万吨的纯水？无疑是看中了中微子在将来不同领域的应用。

能源问题一直是地球上的生物所面临的重要问题之一，每一个时代的科学家们都在寻找着能够可以长期利用并对环境没有过多危害的能源。如今全球的能源网络已经发生变化，当今时代已经不是工业革命时期以煤炭为主的旧能源时期，而是注重开发太阳能，核能等持续利用的新能源。

中微子目前就是待开发的能源之一。地球上每立方厘米就有着至少100亿个中微子，若能将这些中微子转化为可利用的能源，这将是一项新能源利用上的重大突破。

根据爱因斯坦的相对论，一切有质量的物质都具有能量，而中微子已经被证明出存在中微子振荡，说明中微子也具有一定的能量。

实验证明，通过特殊的涂层材料例如中微子能量膜可以对中微子内部的能量进行转化，这种具有表面高密度的纳米级颗粒层的高度压缩材料能够使中微子的原子核发生振动，从而使电子移动形成电流。

中微子发电具有非常大的优势：对范围要求可以说是没有限制，并且中微子可以无限地被获取，这就淘汰了电力传输线和电线杆等设备，为生活环境留出了不少空间。

中微子束流

日本粒子物理学家菅原寛孝在2003年发表了一篇轰动一时的文章：《利用超高能中微子束流摧毁原子弹》。该文章中菅原寛孝等人详细地解释了如何利用中微子束来摧毁核武器。

简单来说就是制备能量为1000万亿电子伏的中微子束流，并用它定点射向世界上任意一处核武器库，从而达到摧毁核武器的目的。

这个想法理论上是行得通的，其原理是利用了中微子的电中性和弱相互作用性质，这两种性质能够让中微子束轻易穿过核武器库的保护措施。同时高能的中微子束与核弹头等物体发生碰撞时，会将其熔化或引发爆炸。

但在今天的科学技术上是没有办法实现的，首先目前的技术并不支持人们能够较为轻易地制作储备1000万亿电子伏的中微子束流，这需要一个周长至少1000公里的超级加速器，而目前正在运行的大型电子对撞机周长仅为27公里。

大型电子对撞机

倘若有这么一个超级加速器，其耗电量也是巨大的。通过计算可得，若让1000公里的超级加速器正常运行，总电功率将超过500亿瓦，这个耗电量超过了整个英国消耗的电功率。

并且在没有能力确保经过中微子束攻击后的核武器能被安全地降解或者失效，否则若引起巨大的核武器爆炸那与核武器袭击没有任何区别，这项发明也就失去了它的意义。

中微子通信

中微子通信的原理类似于探测中微子辐射试验的方式。通过直至加速器制作出具有超高能量的电子流使其对目标进行轰击，从而产生不稳定的粒子。然后让这些粒子发生变化产生中微子和其他粒子，用钢板筛掉带电的粒子得到纯的中微子束。通过让中微子束扫描物体再通过纯水发出蓝色的光，这些光被光电倍增器接收，从而获得信息。

说白了就是以中微子作为信息传递的媒介，其优点是在于中微子的运动速率接近于光速，让信息的传递更加迅速；同时中微子是沿直线传播，不会发生折射，保密性较好；最后因为中微子的传播距离非常远，并且过程中几乎不损耗能量，这使得信息官邸的效率大大提升。中微子的通信试验也于1982年12月首次试验成功。

但这项技术仍然没有被广泛应用，困难与中微子束流相似，凭借目前的技术很难制造出有相当高能量的中微子束，并且目前的应用范围只有十几公里，很难覆盖大部分区域。较近的一次试验是2012年11月美国通过粒子加速器将中微子信息穿过了780英尺的岩石。这个距离也无法被广泛应用到现代通信中。

中微子天文学

• 中微子天文望远镜是研究中微子天文学的一个重要工具。其原理是通过中微子通过水时放出的光学信号来重建带电轻子的径迹，以此推断出这些中微子来自何处，以及它们携带哪些信息。
• IceCude探测器是建立在南极冰层下1400公里至2400公里处的中微子天文望远镜，可以通过探测来自地球的中微子来进一步了解地球的内部构造。这是目前中微子领域中较为成熟的一项应用。

结语

随着中微子的奥秘被人类一步步地发掘出来，其存在的价值也得到了科学界的重视。不仅是日本和西方国家，我国的江门中微子探测试验也于2020年投入运行，计划运行20年。

预计在2030年左右，江门中微子探测实验会进一步升级，进行世界上最大的无中微子双β衰变试验。值得一提的是，早在大亚湾中微子实验时，我国发现了中微子的第三种振荡模式，而现在江门中微子依旧继续着中微子的研究。

但中微子的用途绝对不仅仅止步于此，距离中微子概念的提出才过去了仅仅一个世纪，这项技术的应用在目前也大多只是理论层面，并不能投入实际应用。我们只能在不断地摸索和实验中逐渐将中微子的巨大潜力变成可以利用的资源。