日本高能加速器研究机构(KEK)和J-PARC中心7月10日发布消息称，研究团队利用J-PARC的大强度质子加速器束流，解释了μ子在冰中表现出的特殊自旋变化，破解了困扰相关研究约50年的谜题。相关论文已于2026年7月7日在线发表于《物理评论B》。
这是μ子在水中的量子行为示意图。蓝色球体(μ子)取代水分子中的氢原子形成“MuOH”。在冰点以下，这些μ子通过无形的力与周围的水分子(波浪线)结合。波浪线的粗细代表结合力的强度。
μ子是一种不稳定的基本粒子，寿命只有约2微秒。虽然时间极短，但它能在物质内部“感受”周围环境，因此常被用作研究材料和生命相关物质微观性质的探针。过去的实验早已发现，μ子进入液态水和冰后，信号表现明显不同：在液态水中，水分子运动很快，周围磁场相互抵消，μ子的自旋信号能保持较规则的波形;一旦水结成冰，水分子被固定在晶体结构中，μ子开始受到周围水分子磁场影响，自旋信号会迅速衰减，旋转周期也会出现偏移。
问题在于，这种变化虽然很早就被观测到，却一直缺少准确解释。此次研究显示，μ子进入水后，会取代水分子中一个氢原子，形成名为“MuOH”的特殊分子。在冰中，MuOH里的μ子自旋会与周围水分子中氢原子的核自旋发生量子相干，也就是量子波性质保持同步的状态。研究团队通过建立模型，模拟μ子自旋受到周围氢核自旋磁场影响的过程，成功解释了冰中μ子信号衰减和频率偏移的来源。
研究人员还通过重水(D₂O)实验验证了这一模型，进一步支持了冰中μ子量子效应的解释。KEK研究员Amba Datt Pant表示，经过数年集中研究，团队揭示了水中长期未明的量子效应，这将为今后利用μ子研究含水材料和生物系统打下基础。
水是物理学、化学和生物学中最基础的分子之一。此次成果从常见的水和冰入手，说明即便在看似熟悉的物质中，微观层面的量子作用仍可能隐藏着关键答案。
