科学研究 - 理研等利用机器学习鉴定出“极罕见”原子核，探索核力之谜

“8月12日的7秒钟里，地球引力将会消失。”今年元旦期间，这样一则荒唐的谣言在海外很多国家流传。随后，地球引力由地球自身质量决定的解说文章登场，彻底驳斥了该说法，谣言才逐渐平息。8月12日当天，当然什么都没有发生（虽然有些地方出现了日全食）。谣言绝不应该传播。

当然，思考物体之间的相互作用力，探究自然界的基本规律本身是件非常有趣的事情。与地球的重力截然不同，在微小的原子核内部发挥作用的“核力”同样充满奥秘。核力使粒子相互吸引，从而使物质得以存在。2025年年底，日本国立研究开发法人理化学研究所（简称理研）等的研究团队宣布，成功鉴定出了一种对探究核力有重要帮助、且极其罕见的原子核——“双Λ超核”。这是人类历史上第2例此类发现。研究团队采用了机器学习这一新方法，有望由此实现核力研究的一项重大突破。为了进一步了解这个微观世界，笔者走访了理研的实验室。

粒子之间，究竟存在着怎样的力？

原子示意图。原子核周围分布着电子。通常，原子核由质子和中子构成。

先介绍一些基础知识。我们身边的物质都是由肉眼看不见的微小粒子聚集而成的，其基本单位是原子。目前已知的原子种类，也就是元素共有118种，包括氢、氦等。这些元素相互结合，形成各种各样的分子和化合物，并呈现出各自独特的性质。丰富多彩的物质世界正是由此构成的。

原子内部通常有一个带正电的原子核，周围则分布着带负电的电子。通常，原子核由质子和中子构成，二者统称为“核子”。此外，质子数和中子数的组合决定了原子核的种类，即“核素”。即使质子数相同、属于同一种元素，核素不同会导致在稳定性等方面存在差异。

作用于核子之间的核力，是通过核子彼此像“传球”一样交换介子而产生的引力。不过，当核子之间的距离足够近时，核力就会表现为斥力。核力的这种特性使原子核能够维持稳定的结构。核力的作用机制至今仍有许多未解之谜，是物理学研究物质和宇宙如何形成的一个重要题目。

斋藤武彦手持双Λ超核模型。拍摄于埼玉县和光市的理化学研究所。

理化学研究所开拓研究所的斋藤武彦主任研究员表示，自己10岁时读了诺贝尔物理学奖得主汤川秀树的传记，从此对原子核的世界产生了浓厚兴趣。“粒子并不是各自自由运动，而是在各种力的作用下达到平衡，物质才得以存在。如果只有引力，原子核就会坍缩，因此斥力也很重要。粒子之间究竟存在着怎样的力？我就是为了弄清这一点才一直从事相关研究的。”

微型实验室“超核”

原子核内部的作用力之谜，该如何破解？研究人员采用的一种方法是，通过实验人工制造出一种地球自然环境中通常不存在的粒子——“超子”（hyperon）的原子核，并研究其性质。这种原子核被称为“超核”（hypernucleus）。斋藤说：“我们把超核当作研究粒子间相互作用力的‘微型实验室’。通过观察超核如何形成、如何衰变，以及超子会表现出怎样的行为，来加深对核力的理解。”

超子是一类在部分组成成分上与质子和中子不同的粒子。这里所说的组成成分，就是构成物质的最小单位之一的基本粒子“夸克”。具体而言，质子由2个上夸克和1个下夸克构成，中子则由1个上夸克和2个下夸克构成。与它们不同，超子含有一种在自然界中相对少见的奇夸克（strange quark）。

（左图）目前已知的基本粒子夸克共有6种；（右图）与质子和中子不同，超子含有奇夸克。超子有多种类型，所含奇夸克也不一定只有1个。

构成超核的质子、中子和超子，在数量和种类上可以有多种不同的组合。研究人员通过人工制造这些地球自然环境中原本不存在的“异类”，并将其与常见原子核进行比较，研究它们的性质差异等，以期解开其中的奥秘。其中，含有1个奇夸克的一类超子称为Λ粒子（拉姆达粒子，Lambda）。而含有2个Λ粒子的超核，就是本文开篇提到的主角、“史上第2例”的双Λ超核（double-lambda hypernucleus）。

含有2个Λ粒子的“双Λ超核”示意图。

确定核素至关重要

超核是在实验中利用加速器制造出来的。研究人员将介子束射向作为靶标的原子核，通过使原子核内部的粒子转变为超子等方式，制造出超核。位于日本茨城县东海村的大型加速器设施“J-PARC”一直在积极开展相关实验。例如，通过研究极其罕见的双Λ超核，可以加深对核力的理解，包括两个Λ粒子之间的相互作用力。

首次成功鉴定出双Λ超核的成果于2001年公布。当时，岐阜大学、京都大学等的研究团队利用高能加速器研究机构（KEK）的加速器，在氦中发现了这种原子核（长良事件）。2019年，岐阜大学等的研究团队通过在J-PARC开展的另一项实验，也宣布“发现”了铍的双Λ超核（美浓事件）。

长良事件中，研究人员甚至成功确定了中子数；而美浓事件的中子数仍存在不确定性，只能确定为“4～6个中的某一种”。在原子核物理学领域，只有准确鉴定出核素，才能了解原子核的质量和结构，进而深入讨论与稳定性、能量等有关的性质。斋藤介绍说：“（2019年的）美浓事件确认了铍原子核可以含有两个Λ粒子，是一次成功的实验。今后，确定准确的中子数十分重要。”

从人工操作到重大革新

实验数据来自介子束击中靶标后产生的粒子在被称为“原子核乳胶板”的感光胶片中留下的轨迹。当带电粒子进入原子核乳胶板时，其经过的部分会发生反应，从而留下点状或线状痕迹。过去，研究人员一直依靠人工使用显微镜观察原子核乳胶板，这是一项需要耐心和娴熟技巧的繁琐工作。

在这一过程中，曾在德国从事研究工作的斋藤萌生了一个想法：“能否将机器学习技术进步所带来的图像分析能力应用于这一领域？”2019年入职理研之前，他就此向美浓事件的研究负责人进行了咨询。在获得机器学习专家的协助后，他决定利用机器学习，重新分析美浓事件实验中使用的原子核乳胶板。研究团队首先成功探测到一种超核——“超氚核”。随后，他们又尝试探测双Λ超核，并在正式启动研究后仅10个月便取得成功。2025年12月，研究团队宣布成功鉴定出了一种硼的双Λ超核，由5个质子、6个中子和2个Λ粒子构成。这是自长良事件以来，时隔四分之一个世纪，研究人员终于再次成功鉴定出具体核素。

实验的具体做法如下：研究人员在J-PARC利用介子束轰击靶标，产生一类超子相关粒子。当这种粒子被核乳胶中的氮原子核捕获时，就会形成硼的双Λ超核，随后该原子核还会连续发生衰变。研究团队利用深度学习开发出一项独创技术，构建了一个能够从原子核乳胶板图像数据中探测上述粒子痕迹的模型。利用这一模型分析原子核乳胶板图像后，研究人员根据粒子痕迹的特征等信息，确认了硼的双Λ超核的产生。

实验示意图：介子束射向靶标后产生的粒子被氮原子核（¹⁴N）捕获，形成硼的双Λ超核（¹³ΛΛB），随后继续发生衰变。在从左数第二个阶段，双Λ超核存在于红色线段所示的区间内，并由下向上运动。（供图：理化学研究所）

长良事件发现的是一种由较轻元素氦构成的双Λ超核。斋藤等人此次在稍重一些的硼中发现双Λ超核，其意义并不只是“史上第2例”这么简单。即使同为双Λ超核，在元素不同、核子数量等条件存在差异的情况下，Λ粒子的行为也可能发生变化。这项成果为理解核力提供了宝贵的研究线索。

“宝藏仍待发掘”

谈及这项成果的意义，斋藤谨慎地表示：“自长良事件以来，我们再次实现了对核素的一意确定（uniquely identified），但说到底，这也不过是第2例。另一方面，我认为，利用机器学习，仅用10个月就取得这一发现，其本身具有很大价值”过去人工观察时可能被遗漏的痕迹，机器学习似乎也能不断地捕捉到。本文开篇曾用“极其罕见”来形容这类原子核，但今后或许就不能再这样称呼它们了。

（左上图）已完成实验的原子核乳胶板；（左下图）通过光学显微镜放大的图像；（右图）进一步放大的图像。红色箭头所指、蓝色圆圈圈出的区间内，存在过双Λ超核（¹³ΛΛB）。（供图：理化学研究所，有部分修改）

研究团队由日本的理化学研究所、立教大学、岐阜大学、福井大学、东北大学以及西班牙物质结构研究所（IEM）等组成。相关成果于去年12月12日刊登在英国科学期刊《Nature Communications》（自然·通讯）上，并由理化学研究所等机构于同月18日对外发布。

美浓事件实验中使用的原子核乳胶板共有1300张。研究团队采用机器学习方法，经过10个月的分析，目前仅完成了其中0.2%的分析，就成功鉴定出一个双Λ超核。据此推算，如果完成全部原子核乳胶板的分析，预计能够发现约500个双Λ超核。斋藤表示：“还有很多宝藏，我们会把它们全部挖掘出来的！”他还表达了进一步获取实验数据的意愿，计划利用美国加速器设施中的新型探测器开展更多研究。

宝藏仍待发掘。利用机器学习，自动读取原子核乳胶板图像的工作仍在继续。拍摄于埼玉县和光市的理化学研究所。

有助于揭开中子星与元素合成之谜

超子和超核的研究，对于理解宇宙中的超高密度天体——中子星也不可或缺。中子星是质量达到太阳的8至10倍以上的恒星，在以“超新星爆发”结束其一生后留下的天体。顾名思义，中子星主要由中子构成。中子星内部的中子，以及被认为存在于其中的超子，其各自的性质和相互作用等，都是物理学界关注的重要课题，但目前人们对这些问题仍知之甚少。

两颗中子星合体的想象图。（供图：欧洲南方天文台，L.卡尔萨达）

中子星虽然位于遥远的宇宙深处，但研究中子星也有助于探寻我们身边各种物质的起源。元素周期表中的各种元素，是伴随着宇宙的诞生以及天体经历的种种演化过程而形成的。（元素的形成本身就是一个宏大的研究课题，详细内容留待日后再谈。）其中，金、铂等重元素的起源长期以来一直是个谜，但近年来，通过对引力波的观测和研究，人们逐渐了解到，这些重元素是在中子星相互合并的过程中形成的。

斋藤说：“物质究竟是什么？从宇宙诞生之初的大爆炸开始，自然界中的各种元素又是如何形成的？原子核研究对于回答这些基本问题不可或缺。”

谈到自己作为研究人员的动力时，他进一步表示：“我希望成为项目的开创者，并从尝试别人从未做过的事情中获得乐趣。在超核研究中，利用机器学习分析原子核乳胶板的方法，如果没有我，可能还需要花更长时间才能实现。这项研究已经开辟出了一条道路，今后毫无疑问还会继续发展。也许已经不再需要我了。其实，我现在已经开始思考与此完全不同的事情了。”

超核研究往往被视为物理学家才会专注的细致而小众的研究领域。而实际上，这是一项探寻物质存在根源、为解开元素之谜补上拼图的一块重要基础性工作。通过探索微观的原子核世界，也在不断加深对宇宙的理解。这项研究凝聚着人类的好奇心。