Как поймали то,
чего почти нет,
и открыли новую главу
в ядерной физике.
Представьте себе Вселенную как огромный оркестр частиц, где мы слышим лишь самые громкие инструменты — электроны, протоны, нейтроны. Но иногда в глубине этого оркестра на секунду вспыхивает редкий «экзотический» звук, который почти невозможно уловить. Именно такой едва слышный мотив физикам помог распознать искусственный интеллект: в массиве данных многолетних наблюдений он «нашёл» новое экзотическое атомное ядро с двумя так называемыми странными кварками. Это событие уже можно считать знаменательным для ядерной физики и будущих технологий.
Соблазнительная странность.
Вся привычная нам материя построена из атомов, в центре которых находится ядро из протонов и нейтронов, а вокруг летают электроны. Протоны и нейтроны постигла та же участь, которой им же обязан сам атом, — они были свергнуты с пьедестала «основы основ» мироздания. Оказалось, что все эти элементарные частицы — не «кирпичи из кирпичей», а сложные соединения гораздо более фундаментальных объектов, названных кварками.
У кварков есть несколько разновидностей, которые физики называют ароматами: верхний и нижний — от верхнего и нижнего компонентов внутренних характеристик (изоспина); очарованный, благодаря которому образовываются восхитительные симметрии квантового мира; странный — открытый в космических лучах ещё до рождения кварковой модели, и так далее. Протоны и нейтроны состоят из обычных кварков «вверх» и «вниз», но вот если в частице появляется странный кварк, она получает интереснейший потенциал в энергетическом плане. Он настолько велик, что такую частицу называют гипероном, а ядро с таким «гостем» внутри — гиперядром.
Это гиперядро — с научной точки зрения — представляет собой мини-лабораторию, где можно посмотреть, как ведут себя ядерные силы, если изменить «ингредиенты» ядра. Особенно интересны системы, где в ядре сразу два странных кварка. Так называемая двойная странность встречается крайне редко, но именно она даёт ключ к пониманию взаимодействий двух таких «странных» частиц между собой и того, что происходит в экстремальных условиях — например, в недрах нейтронных звёзд.
Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взорвавшейся звезды, в котором вещество сжато до состояния, когда чайная ложка весит миллиарды тонн. В таких условиях обычные нейтроны могут «переключаться» в гипероны со странными кварками, и от того, как они взаимодействуют, зависит, насколько тяжёлыми вообще могут быть нейтронные звёзды. Поэтому любая новая информация о двойной странности помогает уточнить модели этих экстремальных объектов и лучше понять каковы и где проходят пределы возможного самой материи нашего мира.
Следы невидимых зверей.
Как поймать такую редкую систему, которая живёт ничтожную долю секунды и тут же распадается? В эксперименте J‑PARC E07, проведённом на протонных ускорителях в Японии, исследователи использовали почти старомодную на первый взгляд технологию — ядерную эмульсию. По сути, это очень «продвинутая» фотоплёнка: когда через неё пролетают заряженные частицы, они оставляют на микроскопическом уровне тончайший след своей траектории.
Пользуясь этим, учёные поймали трек странных кварков, содержавшихся в гиперонах, зародившихся наряду с остальными частицами в ускорителе, «стрелявшем» по модернизированной «фотоплёнке». Идея была в том, чтобы странные кварки застряли в ядре атома эмульсии и превратились в две лямбда-частицы Λ, образуя двойное гиперядро. Оно затем распадётся на обычные ядра и частицы, и каждый шаг распада оставляет в эмульсии характерный рисунок разветвляющихся треков с несколькими «вершинами» — своего рода первая документальная съёмка этих странников.
Исследование проводилось с 2016 по 17 годы, и с тех пор физикам приходилось буквально сидеть за микроскопом и вручную просматривать километры этих треков, чтобы найти единственное интересное событие. За десятилетия таким способом удалось однозначно подтвердить лишь одно двойное гиперядро — так называемое событие NAGARA. При этом современные эксперименты, подобные J‑PARC E07, производят столько данных, что человеческих глаз просто не хватит: огромная часть информации в эмульсии оставалась «золотым прииском без старателей».
Увидеть то, чего почти нет.
Команда учёных из RIKEN (японского Национального агентства по исследованиям и разработкам) и их коллег решила превратить поиск редких событий в задачу компьютерного зрения. Однако как научить нейросеть распознавать нужный узор треков так же, как система распознавания лиц на смартфоне узнаёт вас по фото, при условии, что лиц-то для обучения много, а вот двойное гиперядро известно всего одно? Это была проблема, ведь для обучения нейросетей нужны тысячи примеров.
Тогда исследователи пошли обходным путём. Сначала с помощью физического моделирования «прокрутили» в компьютере рождение и распад таких гиперъядер и получили идеальные синтетические треки. Затем использовали генеративный ИИ чтобы превратить эти идеальные картинки в изображения, похожие на настоящие микрофотографии эмульсии с шумами, дефектами и фоном. Получился искусственный, но физически реалистичный набор обучающих данных: каждый трек известен, каждая вершина размечена, а фон похож на настоящий. На этом материале обучили нейросеть класса Mask R‑CNN, которая умеет не только находить объекты на изображении, но и точно выделять их форму.
Убедившись на уже известных событиях, что нейросеть действительно «узнаёт» типичную картину двойного гиперядра, а не просто реагирует на случайные пятна, её подключили к реальным данным эксперимента J‑PARC E07. Ей скормили всего около 0,2% всей эмульсии — довольно мизерный фрагмент, но даже на таком крошечном кусочке данных ИИ смог выцепить десятки кандидатов, среди которых было одно особенно интересное событие.
Окно в недра звёзд.
Кандидатов, которых выделил ИИ, тщательно проверила команда людей: под микроскопом измерили длины и углы каждого трека, восстановили энергию и импульс частиц и перебрали возможные сценарии распада. По сути это похоже на расследование — по расположению осколков нужно было восстановить процесс «аварии» внутри ядра. Результат был однозначным: учёные увидели рождение и распад двойного лямбда‑гиперядра бора, обозначаемого как 13ΛΛB, — второе в истории событие, где двойное гиперядро идентифицировано без двусмысленностей. И первое подобное открытие, сделанное с помощью искусственного интеллекта — не как «игрушки», а как полноценного научного инструмента.
Из измерений удалось извлечь энергию их взаимодействия — важную величину, характеризующую силу «притяжения» друг ко другу двух лямбда‑частиц внутри ядра. Оказалось, что эта связь заметна, но не чрезмерно сильна зависит от того, в каком именно ядре находятся эти частицы. Сравнивая новые результаты с предыдущим событием NAGARA (где ядро было другим), физики получают более точные ограничения на модели взаимодействия гиперонов — а значит, и на свойства сверхплотной материи в нейтронных звёздах.
Особенно впечатляет, что всё это — лишь вершина айсберга. Если из 0,2% данных удалось вытащить одно надёжное событие, то во всей эмульсии могут скрываться более двух тысяч случаев двойной странности, многие из которых могут оказаться новыми типами гиперъядер. Не случайно сами авторы говорят о будущей «фабрике двойной странности» — автоматизированной системе, которая буквально будет штамповать открытия экзотических ядер.
Причём тут мы.
На первый взгляд может показаться, что поиск короткоживущих экзотических ядер — занятие чисто академическое. Но именно такие «абстрактные» исследования в прошлом не раз приводили ко вполне себе земным технологиям.
Во‑первых, здесь развивается сам искусственный интеллект. Чтобы научить нейросеть находить редчайшие события на фоне огромного числа «обычных» треков, приходится решать те же задачи, что и в медицине (поиск опухоли на снимке), промышленности (выявление единичного дефекта на конвейере) или безопасности (обнаружение подозрительных объектов в сканерах). Новые подходы к генерации синтетических данных и обучению моделей на крайне редких событиях вполне могут перекочевать в другие области.
Во‑вторых, такие работы обновляют классические технологии. Например, ядерная эмульсия — метод фотопечати, в общем-то, с многолетней историей, — в сочетании с ИИ стала высокоточным цифровым детектором для новейших систем. Это хороший пример второй жизни старых, хорошо отработанных решений.
Наконец, понимание поведения материи при экстремальных плотностях — это фундамент для будущих космических и энергетических технологий. Моделирование нейтронных звёзд позволит более точно интерпретировать гравитационные волны, которые регистрируют детекторы вроде LIGO и Virgo. Конечно, обыватель не чувствует прямого эффекта от глобальной инфраструктуры наблюдений за Вселенной, но чем точнее физики понимают, из чего состоят эти объекты, тем надёжнее становятся космические «карты», по которым ориентируется не только современная астрофизика.
В этом смысле открытие нового гиперядра с помощью искусственного интеллекта — не просто редкий научный курьёз. Это шаг к эпохе, где ИИ становится полноценным напарником человека в самых сложных экспериментах, помогает находить «иголки» экзотической материи в «стоге сена» гигантских данных и приоткрывает ещё одно окно в глубинное устройство мира — туда, куда мы ещё не заглядывали.
АРМК, по материалам RIKEN, Nature Comm.