ラムダ粒子間、グザイ-核子間相互作用の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00155
• 研究機関: 岐阜大学
• 研究代表者: 仲澤 和馬 岐阜大学, 教育学部, 教授 (60198059)
• 研究分担者: 肥山 詠美子 東北大学, 理学研究科, 教授 (10311359) ; 吉田 純也 東北大学, 理学研究科, 助教 (60573186)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: ダブルハイパー核 / 原子核乾板（エマルション） / 全面探査 / 機械学習 / 厳密少数理論計算

研究実績の概要

過去の数十倍のダブルハイパー核を検出し、新たな知見を得るためには、生成・崩壊という特徴的な形状を高速に撮像して検出する顕微鏡駆動システムの構築と、生成核種を同定するための崩壊娘粒子の静止点までの自動追跡とその粒子同定が必要である。
乾板のスキャニング・反応に付随する粒子飛跡の追跡・事象解析・エネルギー較正といった一連の解析を行う顕微鏡システムとその運用体制を構築した。特に原子核乾板中の荷電粒子の飛程とエネルギーの関係を較正する、乾板中に混入する自然放射性同位元素の崩壊に伴い放出されるアルファ崩壊事象の検出は、下記「８．現在までの進捗状況」に示す新たな機械学習モデル（Mask R-CNN）の導入により格段の進展が見られた。さらにΛ粒子の束縛エネルギーと寿命との関係で大きな問題となっている、最も軽いハイパートライトンにおけるΛ粒子の束縛エネルギーを、原子核乾板中をくまなく探査することで、世界で最も小さい系統的誤差で示すことができることが分かった。また、SPring-8のX線顕微鏡を用いて、分岐点が一意に同定できない事象6例の生成・崩壊の分岐点を同定した。これによりΞ粒子が深く束縛した事象の発見には至らなかったが、束縛エネルギーの測定精度を４MeVから0.8MeVへと数倍向上させることができた。このようにSPring-8のX線顕微鏡を用いた乾板中のハイパー核事象の精密解析手法を確立させると同時に、娘粒子の種類同定の可能性が見えてきた。
理論面では、カーボンやボロンアイソトープのラムダハイパー核の構造計算を行った。これは、ダブルラムダハイパー核が発見された際、崩壊過程を考える上で、これらのハイパー核の構造が重要であるためである。これらのハイパー核の研究について、Physical Review Cに掲載された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

最も軽いシングルハイパー核（ハイパートライトン）の崩壊事象を用いて、機械学習モデルの適用による一連の解析の妥当性の評価や高速化を進めた。ハイパートライトンにおけるΛ粒子の束縛エネルギーの大きさは、その崩壊寿命との関係で近年大きな問題となっており、原子核乾板で高精度に束縛エネルギーを測定できること示したことは、非常に大きな成果である。また、エネルギー較正に用いるα崩壊事象の収集は従来の線分検出ベースの画像処理から機械学習ベースの物体検出器（Ｍａｓｋ Ｒ-ＣＮＮ）に置き換えた。これにより検出効率は約2倍に増加し、さらにヒトが行う目視の量を、線分検出の従来手法に対して検出効率を落とすことなく約1/17に削減することができた。Ｘ線顕微鏡を用いて飛跡を撮影すると、陽子（電荷＋１）とヘリウム（電荷＋２）の飛跡を構成する現像銀粒子の数密度が相違する兆候が見られる。この相違を定量化すれば、わずか0.1ｍｍの飛跡の長さで粒子電荷識別が可能になるという新たな知見が得られた。
理論面ではダブルハイパー核だけに閉じず、シングルΛハイパー核の構造を研究することで、崩壊過程も含めて網羅的に研究を進めているため、本研究も重要であると判断し、また論文についても着実に掲載できていると判断した。

今後の研究の推進方策

得られた最も軽いシングルハイパー核の崩壊事象を用い、それらのΛ粒子の束縛エネルギーを評価するなど物理解析を行う。ダブルラムダハイパー核やグザイハイパー核事象を検出するべく、これらの模擬画像を生成し、この画像で物体検出器を訓練し、物体検出器を実際の顕微鏡画像に適応して事象探索を行う。引き続き一連の解析の流れの高速化に取り組む。一方Ｘ線顕微鏡を用いて、陽子およびヘリウムに着目して、その現像銀粒子の数密度から電荷の識別を試みる。
理論面では今後、A=7Ξハイパー核の構造研究とその反応の研究、およびA=10ハイパー核の研究を進める。

研究成果

• [国際共同研究] Helmholtz Institute Mainz(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Helmholtz Institute Mainz
• [国際共同研究] Inst. of Nucl. Energy Safety Tech./Institute of High Energy Physics/Shanxi Normal University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Inst. of Nucl. Energy Safety Tech./Institute of High Energy Physics/Shanxi Normal University
• [国際共同研究] Korea University/Korea Res. Inst. of Stand'd & Sci./Seoul National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Korea University/Korea Res. Inst. of Stand'd & Sci./Seoul National University
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Ohio University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Ohio University
• [国際共同研究] University of Mandalay/University of Yangon/Lashio University(ミャンマー)
  • 国名: ミャンマー
  • 外国機関名: University of Mandalay/University of Yangon/Lashio University
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Doubly heavy tetraquark resonant states (2022)
  • 著者名/発表者名: Meng Qi、Harada Masayasu、Hiyama Emiko、Hosaka Atsushi、Oka Makoto
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 824 ページ: 136800-1~5
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136800
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prediction of exotic hyperon halos in neutron-rich Zr hypernuclei (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Ying、Sagawa Hiroyuki、Hiyama Emiko
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2022 ページ: 023D01-1~10
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 原子核乾板を用いて見えてきたダブルハイパー核の素顔 (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲澤 和馬
  • 雑誌名: 物理教育 巻: 69 ページ: 80～86
  • DOI: 10.20653/pesj.69.2_80
  • 査読あり
• [雑誌論文] New directions in hypernuclear physics (2021)
  • 著者名/発表者名: Saito Takehiko R.、Dou Wenbou、Drozd Vasyl、Ekawa Hiroyuki、Escrig Samuel、He Yan、Kalantar-Nayestanaki Nasser、Kasagi Ayumi、Kavatsyuk Myroslav、Liu Enqiang、Ma Yue、Minami Shizu、Muneem Abdul、Nakagawa Manami、Nakazawa Kazuma、et al.
  • 雑誌名: Nature Reviews Physics 巻: 3 ページ: 803～813
  • DOI: 10.1038/s42254-021-00371-w
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First observation of a nuclear s-state of a Ξ hypernucleus, 15ΞC (2021)
  • 著者名/発表者名: M Yoshimoto, J K Ahn, B Bassalleck, H Ekawa, Y Endo, M Fujita, Y Han, T Hashimoto, S H Hayakawa, K Hicks, K Hoshino, S Hoshino, S H Hwang, Y Ichikawa, M Ichikawa, K Imai, Y Ishikawa, H Kanauchi, A Kasagi, S H Kim, S Kinbara, P M Lin, T L Ma, K Miwa, A T Moe, Y Nagase, K Nakazawa, et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 ページ: 073D02-1~19
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab073
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of Double-Strangeness Nuclei at J-PARC (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Junya、for the J-PARC E07 collaboration
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 63 ページ: 13-1~6
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01716-y
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Quark Model Analysis of the Weinberg Operator Contribution to the Nucleon EDM (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka Nodoka、Hiyama Emiko
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 27-1~5
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01611-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction of Double-heavy Tetraquarks Bound States in Quark Model (2021)
  • 著者名/発表者名: Meng Qi、Hiyama Emiko、Hosaka Atsushi、Oka Makoto、Gubler Philipp、Can Kadir Utku、Takahashi Toru T.、Zong Hongshi
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 79-1~5
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01665-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for the Lightest Double-Lambda Hypernucleus, 5H_LL, at J-PARC (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujioka Hiroyuki、Ajimura Shuhei、Fukuda Tomokazu、Gogami Toshiyuki、Hiyama Emiko、Morino Yuhei、Motoba Toshio、Nagae Tomofumi、Nagao Sho、Sakaue Akane、Takahashi Toshiyuki、Taki Yosuke、Tokiyasu Atsushi O.、Uchida Makoto、Yosoi Masaru
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 47-1~5
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01635-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Four-body Calculation of Inelastic Scattering Cross Sections of Positronium?Antihydrogen Collision (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takuma、Kino Yasushi、Hiyama Emiko、Jonsell Svante、Froelich Piotr
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 81-1~9
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01661-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] SPring-8 X線顕微鏡を用いた原子核乾板中ダブルハイパー核事象の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 林 航志
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] SPring-8 X線顕微鏡を用いた原子核乾板中の粒子識別 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村直己
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Study of Double Hyperuclei using Nuclear Emulsion (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakazawa
  • 学会等名: Second International Workshop on the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility Hadron hall Users Association
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure of 7H with t+4n cluster (2022)
  • 著者名/発表者名: Emiko Hiyama
  • 学会等名: YIPQS long-term workshop“Mean-field and Cluster Dynamics in Nuclear Systems 2022 (MCD2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure of 7H with t+4n four-body cluster model (2022)
  • 著者名/発表者名: Emiko Hiyama
  • 学会等名: KITP Conference: Opportunities and Challenges in Few-Body Physics: Unitarity and Beyond, UC Santa Barbara
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] SPring-8 X線顕微鏡を用いた原子核乾板中の粒子識別 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村直己, 笠置歩, 久保伊吹, 小林梨沙, 島村昭慶, 仲澤和馬, 吉田純也, Phyo Myat Lin, Aung Nay Lin Nyaw
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] Search for Double strangeness nuclei? (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakazawa
  • 学会等名: SNP School 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of image analysis method to efficiently search for double hypernuclei (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Nishimura
  • 学会等名: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021(ICMass2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Study of Energy Uncertainties Concerning with the Emulsion Density Error and the Range Straggling (2021)
  • 著者名/発表者名: PhyoMyat Lin
  • 学会等名: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021(ICMass2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of high-speed reading of nuclear emulsion and three-dimensional track detection method (2021)
  • 著者名/発表者名: Koji Hayashi
  • 学会等名: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021(ICMass2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a machine learning model using physics simulation and GAN for detection of events in nuclear emulsion (2021)
  • 著者名/発表者名: Ayumi Kasagi
  • 学会等名: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021(ICMass2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Lambda-Lambda Binding Energy in Light Double-Lambda Hypernuclei in the J-PARC E07 Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Aung Nay Lin Nyaw
  • 学会等名: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021(ICMass2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development for Study of Double Hyperuclei using Nuclear Emulsion (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakazawa
  • 学会等名: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021(ICMass2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development for Study of Double Hyperuclei using Nuclear Emulsion (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakazawa
  • 学会等名: ELPH研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Study of Energy Errors Concerning to the Emulsion Density Error and the Range Straggling (2021)
  • 著者名/発表者名: PhyoMyat Lin
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] New Double-Lambda Hypernuclear events Detected in J-PARC E07 Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Aung Nay Lin Nyaw
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 原子核乾板の高速読み取りと画像認識による飛跡検出を用いたダブルハイパー核探査法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林 航志
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] ダブルハイパー核探査のための画像解析手法(DVS)の開発と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村直己
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 原子核乾板中事象の検出のための物理SimulationとGANを用いた機械学習モデルの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笠置歩
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Precise measurement on the binding energy of hypertriton from the nuclear emulsion data using analysis with machine learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Ayumi Kasagi
  • 学会等名: 19th International Conference on Hadron Spectroscopy and Structure in memoriam Simon Eidelman
• [学会発表] New results on Xi hypernuclei (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yoshimoto
  • 学会等名: 19th International Conference on Hadron Spectroscopy and Structure in memoriam Simon Eidelman
• [学会発表] Double lambda hypernuclei detected in J-PARC E07 experiment with nuclear-emulsion detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Aung Nay Lin Nyaw
  • 学会等名: 2021年度日本写真学会オンライン年次大会?
• [学会発表] ダブルハイパー核探査のための画像解析手法(DVS)の開発と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村直己
  • 学会等名: 2021年度日本写真学会オンライン年次大会?
• [学会発表] 機械学習を用いた原子核乾板中事象の検出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笠置歩
  • 学会等名: 2021年度日本写真学会オンライン年次大会?
• [学会発表] ダブルハイパー核を用いた２重ストレンジネス相互作用の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉本雅浩
  • 学会等名: 2021年度日本写真学会オンライン年次大会?
  • 招待講演
• [学会発表] Few-body aspect of hypernuclear physics (2021)
  • 著者名/発表者名: Emiko Hiyama
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会 PRC and JPS-DNP joint symposium
• [学会発表] Four-body structure of tetra-neutron system (2021)
  • 著者名/発表者名: Emiko Hiyama
  • 学会等名: Neutron Unbound Systems Around the dripline,Remote
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precise measurement on the binding energy of hypertriton from the nuclear emulsion data using analysis with machine learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Ayumi Kasagi
  • 学会等名: The 19th International Conference on Hadron Spectroscopy and Structure in memoriam Simon Eidelman (HADRON2021)
  • 国際学会
• [学会発表] 原子核乾板中事象の検出のための物理SimulationとGANを用いた機械学習モデルの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笠置歩, Enqiang Liu, 中川真菜美, 江川弘行, 吉田純也, Wenbo Dou, Abdul Muneen, 仲澤和馬, Cristophe Rappold, 齋藤武彦, 齋藤奈美, 瀧雅人, 田中良樹, He Wang, 吉本雅浩
  • 学会等名: 日本物理学会2021秋季大会
• [学会発表] 原子核乾板の高速読み取りと画像認識による飛跡検出を用いたダブルハイパー核探査法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林航志, 仲澤和馬, Aung Nay Lin Nyaw, Phyo Myat Lin, 西村直己, 久保伊吹, 小林梨沙, 島村昭慶, 笠置歩, 吉田純也
  • 学会等名: 日本物理学会2021秋季大会
• [備考] 岐阜大学 物理学教室 （Physics Department, Gifu University)
  • URL: https://www1.gifu-u.ac.jp/~physics