氷の中でのミュオンの不思議な挙動を解明

Question

「ミュオン」は不安定な素粒子で寿命はわずか約2マイクロ秒です。そのわずかな時間に周囲の世界を眺めます。水の中に打ち込まれたミュオンは、水分子がマイクロ秒よりもっと短い時間で運動していて目まぐるしく変わり続けるため、磁場が打ち消し合ってゼロのように感じています。ところが水が凍ると、水分子は結晶構造に固定されるため、激しい動きが止まり、ミュオンは水分子の磁場を認識することになります。これによって、ミュオン自身のスピンがかき乱され、バラバラになろうとします。このような変化が観測されることはミュオンの研究が始まった５０年前から知られていましたが、その様子を正確に説明することは誰もできませんでした。さらにそこに量子性というキーワードが潜んでいることに気づくひとはいませんでした。

Findings

J-PARC（大強度陽子加速器施設）のビームを使って、凍った水（氷）の中でミュオンのスピンが示す「量子コヒーレンス（量子的な波の性質が保たれる状態）」を観測しました。ミュオンは水分子の水素（陽子）の1つと入れ替わり、「MuOH」という特殊な分子を作ります。このときミュオンのスピンが周囲の水素原子核の核スピンから感じる磁場をモデル化し、これまで謎だった信号の変化（感じている磁場のバラツキによってスピンの向きがバラバラになる現象や回転周期のズレ）を正確に説明することに成功しました。

Meaning

水という身近な物質で基本的な量子効果による理解が重要であることを示しました。水は物理学、化学、生物学、さまざまな分野にわたる基本となる分子であり、新しい視点をもたらす成果です。