Машинное обучение открывает путь к детектированию экзотических ΛΛ-гиперядер

2025-12-29 12:00:00

Исследователи из Лаборатории ядерной физики высоких энергий в Японском научно-исследовательском институте RIKEN (PRI) и их международные коллеги впервые за 25 лет идентифицировали новое двойное $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядро (дважды-лямбда гиперядро). Результат стал возможным благодаря применению методов глубокого обучения к огромному объему данных, полученных с помощью метода ядерной фотоэмульсии в эксперименте J-PARC E07. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Гиперядром называется разновидность атомного ядра, в котором один или несколько нуклонов заменены на гипероны. Гиперон – это барион, содержащий в своем составе один или несколько тяжелых кварков $$(s,c,b,t)$$ . Самым легким и стабильным гипероном является $$\Lambda$$ -гиперон (лямбда-гиперон), его кварковый состав – $$(uds)$$ . $$\Lambda$$ -гиперон имеет нулевой электрический заряд (но, тем не менее, не является истинно нейтральной частицей). Когда $$\Lambda$$ -гиперон оказывается внутри ядра, связанным ядерными силами с окружающими нуклонами, вся система и становится гиперядром. Гиперон привносит в ядро новое квантовое число – странность. Гиперядро, содержащее один $$\Lambda$$ -гиперон называется $$\Lambda$$ -гиперядром. Обнаружены и изучены сотни таких ядер. Гиперядро, в составе которого находятся два Λ-гиперона называется $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядром. Это крайне редкие и экзотические объекты. Их обнаружение и изучение позволяет напрямую исследовать гиперон-гиперонное взаимодействие.

ΛΛ-гиперядра, как и обычные Λ-гиперядра, имеют времена жизни порядка $$10^{-10}$$ с и распадаются по слабому взаимодействию. Короткое время жизни затрудняет эксперименты по рассеянию, особенно для многогиперонных систем. Поэтому ядерная эмульсия с её субмикрометровым разрешением предлагает уникальное преимущество визуального наблюдения цепочек распада, позволяя идентифицировать ядра посредством по-событийного анализа образования и распадов $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядер.

Продолжение читайте ниже, в Подробнее.

Несмотря на более чем 70 лет исследований гиперядер с момента их первого наблюдения в 1953 году, с помощью ядерной эмульсии было обнаружено всего 47 кандидатов в $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядра. До настоящего времени были более или менее определены и идентифицированы в эмульсионных экспериментах гиперядра $$^{6}_{\Lambda\Lambda}He$$ (2 события), и $$^{10}_{\Lambda\Lambda}Be$$ , $$^{13}_{\Lambda\Lambda}B$$ (по одному событию). Тем не менее авторы исследования подчеркивают, что событие NAGARA остается единственным подтвержденным наблюдением $$^{6}_{\Lambda\Lambda}He$$ (состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух $$\Lambda\Lambda$$ -гиперонов).

Эксперимент J-PARC E07 на Комплексе протонных ускорителей J-PARC (Япония) ставило целью детектирование приблизительно $$10^{2}$$ событий с $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядрами. В эксперименте использовался $$K^{-}$$ -пучок с импульсом 1.81 ГэВ/с на линии K1.8 в Адронном экспериментальном зале J-PARC. $$\Xi^{-}$$ -гипероны производились посредством квазисвободной реакции $$"p"(K^{-}, K^{+})\Xi^{-}$$ на алмазной мишени и затем вводились в эмульсионный модуль, расположенный ниже по потоку от мишени. В ядерной эмульсии захваченные ядрами внутри эмульсионных пакетов $$\Xi^{-}$$ -гипероны отслеживались, в то время как связанные с ними $$K^{+}$$ -мезоны регистрировались с помощью кремниевых стриповых детекторов для измерения их положений и углов. Тем не менее, эффективность регистрации всех событий с $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядрами в эмульсионных слоях оценивалась приблизительно в 10%, в основном из-за ограниченного аксептанса спектрометра и сложностей трекинга, а также вследствие того, что сечение реакции $$"n"(K^{-}, K^{0})\Xi^{-}$$ , которая не может быть детектирована гибридным методом, примерно вдвое превышает сечение реакции $$"p"(K^{-}, K^{+})\Xi^{-}$$ . Было зарегистрировано 33 события-кандидата, инициированных $$\Xi^{-}$$ -гиперонами, среди которых, однако, идентифицировано было лишь три события: Mino, Ibuki и Irrawaddy. К сожалению, среди этих событий не было идентифицировано ни одного $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядра. При этом весь объём эмульсии, по оценкам, содержит более тысячи событий с двойной странностью, включая незарегистрированные события, порождённые реакцией $$"n"(K^{-}, K^{0})\Xi^{-}$$ . В этой связи стояла задача разработки нового и эффективного метода детектирования таких событий.

Командой исследователей был разработан метод машинного обучения, сочетающий генеративно-состязательные сети (GAN) и симуляции Монте-Карло на базе Geant4 для генерации тренировочных данных, а также Mask R-CNN для детектирования объектов. Модель выявила шесть событий-кандидатов с $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядрами, одно из которых было однозначно идентифицировано.

На основании кинематического анализа событие было однозначно идентифицировано как рождение и распад $$\Lambda\Lambda$$ -гиперядра $$^{13}_{\Lambda\Lambda}B$$ (содержит 5 протонов, 6 нейтронов и два $$\Lambda$$ -гиперона, альтернативное обозначение – $$^{13}\Lambda\Lambda B$$ ), образовавшегося в результате захвата $$\Xi^{-}$$ -гиперона ядром $$^{14}N$$ в ядерной эмульсии. В предположении захвата $$\Xi^{-}$$ -гиперона на атомной 3D-орбитале была определена энергия связи двух $$\Lambda$$ -гиперонов в ядре $$^{13}\Lambda\Lambda B$$ , она составила $$B\Lambda\Lambda=25.57\pm 1.18 (stat.) \pm 0.07 (syst.)$$ МэВ. Полученное значение энергии $$\Lambda\Lambda$$ -взаимодействия $$\Delta B\Lambda\Lambda=2.83\pm 1.18 (stat.) \pm 0.14 (syst.)$$ МэВ.