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
-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
. Самым легким и стабильным гипероном является
-гиперон (лямбда-гиперон), его кварковый состав –
.
-гиперон имеет нулевой электрический заряд (но, тем не менее, не является истинно нейтральной частицей). Когда
-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
-гиперон называется
-гиперядром. Обнаружены и изучены сотни таких ядер. Гиперядро, в составе которого находятся два Λ-гиперона называется
-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
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
-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
-гиперядра. До настоящего времени были более или менее определены и идентифицированы в эмульсионных экспериментах гиперядра
(2 события), и
,
(по одному событию). Тем не менее авторы исследования подчеркивают, что событие NAGARA остается единственным подтвержденным наблюдением
(состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух
-гиперонов).
Эксперимент J-PARC E07 на Комплексе протонных ускорителей J-PARC (Япония) ставило целью детектирование приблизительно
событий с
-гиперядрами. В эксперименте использовался
-пучок с импульсом 1.81 ГэВ/с на линии K1.8 в Адронном экспериментальном зале J-PARC.
-гипероны производились посредством квазисвободной реакции
на алмазной мишени и затем вводились в эмульсионный модуль, расположенный ниже по потоку от мишени. В ядерной эмульсии захваченные ядрами внутри эмульсионных пакетов
-гипероны отслеживались, в то время как связанные с ними
-мезоны регистрировались с помощью кремниевых стриповых детекторов для измерения их положений и углов. Тем не менее, эффективность регистрации всех событий с
-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
, которая не может быть детектирована гибридным методом, примерно вдвое превышает сечение реакции
. Было зарегистрировано 33 события-кандидата, инициированных
-гиперонами, среди которых, однако, идентифицировано было лишь три события: Mino, Ibuki и Irrawaddy. К сожалению, среди этих событий не было идентифицировано ни одного
-гиперядра. При этом весь объём эмульсии, по оценкам, содержит более тысячи событий с двойной странностью, включая незарегистрированные события, порождённые реакцией
. 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
-гиперядрами, одно из которых было однозначно идентифицировано.
На основании кинематического анализа событие было однозначно идентифицировано как рождение и распад
-гиперядра
(содержит 5 протонов, 6 нейтронов и два
-гиперона, альтернативное обозначение –
), образовавшегося в результате захвата
-гиперона ядром
в ядерной эмульсии. В предположении захвата
-гиперона на атомной 3D-орбитале была определена энергия связи двух
-гиперонов в ядре
, она составила
МэВ. Полученное значение энергии
-взаимодействия
МэВ.