科學研究 - 理研等利用機器學習鑑定出「極罕見」原子核，探索核力之謎

「8月12日的7秒鐘裡，地球引力將會消失。」今年元旦期間，這樣一則荒唐的謠言在海外很多國家流傳。隨後，地球引力由地球自身質量決定的解說文章登場，徹底駁斥了該說法，謠言才逐漸平息。8月12日當天，當然什麼都沒有發生（雖然有些地方出現了日全食）。謠言絕不應該傳播。

當然，思考物體之間的相互作用力，探究自然界的基本規律本身是件非常有趣的事情。與地球的重力截然不同，在微小的原子核內部發揮作用的「核力」同樣充滿奧秘。核力使粒子相互吸引，從而使物質得以存在。2025年年底，日本國立研究開發法人理化學研究所（簡稱理研）等的研究團隊宣布，成功鑑定出了一種對探究核力有重要幫助、且極其罕見的原子核——「雙Λ超核」。這是人類歷史上第2例此類發現。研究團隊採用了機器學習這一新方法，有望由此實現核力研究的一項重大突破。為了進一步了解這個微觀世界，筆者走訪了理研的實驗室。

粒子之間，究竟存在著怎樣的力？

原子示意圖。原子核周圍分布著電子。通常，原子核由質子和中子構成。

先介紹一些基礎知識。我們身邊的物質都是由肉眼看不見的微小粒子聚集而成的，其基本單位是原子。目前已知的原子種類，也就是元素共有118種，包括氫、氦等。這些元素相互結合，形成各種各樣的分子和化合物，並呈現出各自獨特的性質。豐富多彩的物質世界正是由此構成的。

原子內部通常有一個帶正電的原子核，周圍則分布著帶負電的電子。通常，原子核由質子和中子構成，二者統稱為「核子」。此外，質子數和中子數的組合決定了原子核的種類，即「核素」。即使質子數相同、屬於同一種元素，核素不同會導致在穩定性等方面存在差異。

作用於核子之間的核力，是透過核子彼此像「傳球」一樣交換介子而產生的引力。不過，當核子之間的距離足夠近時，核力就會表現為斥力。核力的這種特性使原子核能夠維持穩定的結構。核力的作用機制至今仍有許多未解之謎，是物理學研究物質和宇宙如何形成的一個重要題目。

齋藤武彥手持雙Λ超核模型。拍攝於埼玉縣和光市的理化學研究所。

理化學研究所開拓研究所的齋藤武彥主任研究員表示，自己10歲時讀了諾貝爾物理學獎得主湯川秀樹的傳記，從此對原子核的世界產生了濃厚興趣。「粒子並不是各自自由運動，而是在各種力的作用下達到平衡，物質才得以存在。如果只有引力，原子核就會坍縮，因此斥力也很重要。粒子之間究竟存在著怎樣的力？我就是為了弄清這一點才一直從事相關研究的。」

微型實驗室「超核」

原子核內部的作用力之謎，該如何破解？研究人員採用的一種方法是，透過實驗人工製造出一種地球自然環境中通常不存在的粒子——「超子」（hyperon）的原子核，並研究其性質。這種原子核被稱為「超核」（hypernucleus）。齋藤說：「我們把超核當作研究粒子間相互作用力的‘微型實驗室’。透過觀察超核如何形成、如何衰變，以及超子會表現出怎樣的行為，來加深對核力的理解。」

超子是一類在部分組成成分上與質子和中子不同的粒子。這裡所說的組成成分，就是構成物質的最小單位之一的基本粒子「夸克」。具體而言，質子由2個上夸克和1個下夸克構成，中子則由1個上夸克和2個下夸克構成。與它們不同，超子含有一種在自然界中相對少見的奇夸克（strange quark）。

（左圖）目前已知的基本粒子夸克共有6種；（右圖）與質子和中子不同，超子含有奇夸克。超子有多種類型，所含奇夸克也不一定只有1個。

構成超核的質子、中子和超子，在數量和種類上可以有多種不同的組合。研究人員透過人工製造這些地球自然環境中原本不存在的「異類」，並將其與常見原子核進行比較，研究它們的性質差異等，以期解開其中的奧秘。其中，含有1個奇夸克的一類超子稱為Λ粒子（拉姆達粒子，Lambda）。而含有2個Λ粒子的超核，就是本文開篇提到的主角、「史上第2例」的雙Λ超核（double-lambda hypernucleus）。

含有2個Λ粒子的「雙Λ超核」示意圖。

確定核素至關重要

超核是在實驗中利用加速器製造出來的。研究人員將介子束射向作為靶標的原子核，透過使原子核內部的粒子轉變為超子等方式，製造出超核。位於日本茨城縣東海村的大型加速器設施「J-PARC」一直在積極開展相關實驗。例如，透過研究極其罕見的雙Λ超核，可以加深對核力的理解，包括兩個Λ粒子之間的相互作用力。

首次成功鑑定出雙Λ超核的成果於2001年公布。當時，岐阜大學、京都大學等的研究團隊利用高能加速器研究機構（KEK）的加速器，在氦中發現了這種原子核（長良事件）。2019年，岐阜大學等的研究團隊透過在J-PARC開展的另一項實驗，也宣布「發現」了鈹的雙Λ超核（美濃事件）。

長良事件中，研究人員甚至成功確定了中子數；而美濃事件的中子數仍存在不確定性，只能確定為「4～6個中的某一種」。在原子核物理學領域，只有準確鑑定出核素，才能了解原子核的質量和結構，進而深入討論與穩定性、能量等有關的性質。齋藤介紹說：「（2019年的）美濃事件確認了鈹原子核可以含有兩個Λ粒子，是一次成功的實驗。今後，確定準確的中子數十分重要。」

從人工操作到重大革新

實驗數據來自介子束擊中靶標後產生的粒子在被稱為「原子核乳膠板」的感光膠片中留下的軌跡。當帶電粒子進入原子核乳膠板時，其經過的部分會發生反應，從而留下點狀或線狀痕跡。過去，研究人員一直依靠人工使用顯微鏡觀察原子核乳膠板，這是一項需要耐心和嫺熟技巧的繁瑣工作。

在這一過程中，曾在德國從事研究工作的齋藤萌生了一個想法：「能否將機器學習技術進步所帶來的影像分析能力應用於這一領域？」2019年入職理研之前，他就此向美濃事件的研究負責人進行了諮詢。在獲得機器學習專家的協助後，他決定利用機器學習，重新分析美濃事件實驗中使用的原子核乳膠板。研究團隊首先成功探測到一種超核——「超氚核」。隨後，他們又嘗試探測雙Λ超核，並在正式啟動研究後僅10個月便取得成功。2025年12月，研究團隊宣布成功鑑定出了一種硼的雙Λ超核，由5個質子、6個中子和2個Λ粒子構成。這是自長良事件以來，時隔四分之一個世紀，研究人員終於再次成功鑑定出具體核素。

實驗的具體做法如下：研究人員在J-PARC利用介子束轟擊靶標，產生一類超子相關粒子。當這種粒子被核乳膠中的氮原子核捕獲時，就會形成硼的雙Λ超核，隨後該原子核還會連續發生衰變。研究團隊利用深度學習開發出一項獨創技術，建構了一個能夠從原子核乳膠板圖像資料中探測上述粒子痕跡的模型。利用這一模型分析原子核乳膠板圖像後，研究人員根據粒子痕跡的特徵等資訊，確認了硼的雙Λ超核的產生。

實驗示意圖：介子束射向靶標後產生的粒子被氮原子核（¹⁴N）捕獲，形成硼的雙Λ超核（¹³ΛΛB），隨後繼續發生衰變。在從左數第二個階段，雙Λ超核存在於紅色線段所示的區間內，並由下向上運動。（圖片提供：理化學研究所）

長良事件發現的是一種由較輕元素氦構成的雙Λ超核。齋藤等人此次在稍重一些的硼中發現雙Λ超核，其意義並不只是「史上第2例」這麼簡單。即使同為雙Λ超核，在元素不同、核子數量等條件存在差異的情況下，Λ粒子的行為也可能發生變化。這項成果為理解核力提供了寶貴的研究線索。

「寶藏仍待發掘」

談及這項成果的意義，齋藤謹慎地表示：「自長良事件以來，我們再次實現了對核素的一意確定（uniquely identified），但說到底，這也不過是第2例。另一方面，我認為，利用機器學習，僅用10個月就取得這一發現，其本身具有很大價值」過去人工觀察時可能被遺漏的痕跡，機器學習似乎也能不斷地捕捉到。本文開篇曾用「極其罕見」來形容這類原子核，但今後或許就不能再這樣稱呼它們了。

（左上圖）已完成實驗的原子核乳膠板；（左下圖）透過光學顯微鏡放大的圖像；（右圖）進一步放大的圖像。紅色箭頭所指、藍色圓圈圈出的區間內，存在過雙Λ超核（¹³ΛΛB）。（圖片提供：理化學研究所，有部分修改）

研究團隊由日本的理化學研究所、立教大學、岐阜大學、福井大學、東北大學以及西班牙物質結構研究所（IEM）等組成。相關成果於去年12月12日刊登在英國科學期刊《Nature Communications》（自然·通訊）上，並由理化學研究所等機構於同月18日對外發布。

美濃事件實驗中使用的原子核乳膠板共有1300張。研究團隊採用機器學習方法，經過10個月的分析，目前僅完成了其中0.2%的分析，就成功鑑定出一個雙Λ超核。據此推算，如果完成全部原子核乳膠板的分析，預計能夠發現約500個雙Λ超核。齋藤表示：「還有很多寶藏，我們會把它們全部挖掘出來的！」他還表達了進一步獲取實驗數據的意願，計畫利用美國加速器設施中的新型探測器開展更多研究。

寶藏仍待發掘。利用機器學習，自動讀取原子核乳膠板圖像的工作仍在繼續。拍攝於埼玉縣和光市的理化學研究所。

有助於揭開中子星與元素合成之謎

超子和超核的研究，對於理解宇宙中的超高密度天體——中子星也不可或缺。中子星是質量達到太陽的8至10倍以上的恆星，在以「超新星爆發」結束其一生後留下的天體。顧名思義，中子星主要由中子構成。中子星內部的中子，以及被認為存在於其中的超子，其各自的性質和相互作用等，都是物理學界關注的重要課題，但目前人們對這些問題仍知之甚少。

兩顆中子星合體的想像圖。（圖片提供：歐洲南方天文臺，L.卡爾薩達）

中子星雖然位於遙遠的宇宙深處，但研究中子星也有助於探尋我們身邊各種物質的起源。元素週期表中的各種元素，是伴隨著宇宙的誕生以及天體經歷的種種演化過程而形成的。（元素的形成本身就是一個宏大的研究課題，詳細內容留待日後再談。）其中，金、鉑等重元素的起源長期以來一直是個謎，但近年來，透過對引力波的觀測和研究，人們逐漸了解到，這些重元素是在中子星相互合併的過程中形成的。

齋藤說：「物質究竟是什麼？從宇宙誕生之初的大爆炸開始，自然界中的各種元素又是如何形成的？原子核研究對於回答這些基本問題不可或缺。」

談到自己作為研究人員的動力時，他進一步表示：「我希望成為項目的開創者，並從嘗試別人從未做過的事情中獲得樂趣。在超核研究中，利用機器學習分析原子核乳膠板的方法，如果沒有我，可能還需要花更長時間才能實現。這項研究已經開闢出了一條道路，今後毫無疑問還會繼續發展。也許已經不再需要我了。其實，我現在已經開始思考與此完全不同的事情了。」

超核研究往往被視為物理學家才會專注的細緻而小眾的研究領域。而實際上，這是一項探尋物質存在根源、為解開元素之謎補上拼圖的一塊重要基礎性工作。透過探索微觀的原子核世界，也在不斷加深對宇宙的理解。這項研究凝聚著人類的好奇心。