Nagyon eltérő alakok együttes fellépése (koegzisztenciája) gyakran előforduló jelenség a soktestrendszerekben, így az atommagokban is. A (közel) gömbölyű alapállapot mellett ma már több magban megtalálták kísérletileg a szuperdeformált állapotot is, ami egy 2:1:1 tengelyarányú ellipszoidhoz hasonlít. Néhányban már a hiperdefromált (3:1:1) alakra is van jelölt. Ez a jelenség napjaink magfizikai kutatásának az egyik forró pontja. 

Az ilyen alakizomér állapotok elméleti megjóslásának és vizsgálatának hagyományos módszere a követketző. Egy magszerkezet-modellből szisztematikusan meghatározzák a különböző alakokhoz tartozó állapotok energiáját, a deformációs paraméterek változtatásával. A kapott energiafelület lokális minimumai adják az alakizomér állapotokat. A legmélyebb völgy szolgáltatja az alapállapot környéki spektrumot, a második adja a szuperdeformált alakot, sít.

A jelen publikáció egy új módszert mutat be az erősen deformált magalak meghatárzására.
Ez az eljárás nem az energia számolására alapoz, hanem a könnyű magokban jó közelítéssel helytálló SU(3) szimmetrát vizsgálja. Az SU(3) szimmetria (konkrétan az azt jellemző két kvantumszám) kölcsönösen egyértelmű kapcsolatban áll a mag (kvadrupólus, beta es gamma parameterekkel jellemzett) deformációjával. Ennélfogva a szimmetria vizsgálata egyúttal a deformáció tanulmányozását is jelenti.

Részletesebben az történik, hogy a deformációs paraméterek (szisztematikus) változtatásával meghatározzák a különböző alakú potenciálokban kialakuló egyrészecske-állapotokat. Ezeket feltöltik nukleonokkal, az energiaminimum- és a Pauli-elv figyelembevételével. Meghatározzák a soknukleon-rendszer szimmetriáját (és egyúttal deformációját). Megvizsgálják, hogy ez a szimmetria (és deformáció) mely tartományokban 
stabil, és milyen mértékben esik egybe a kiinduló deformációval (azaz, teljesíti az önkonzisztencia feltételét).

Az derült ki, hogy a szimmetria (és deformáció) stabilitási és önkonzisztens tartományai meghatározzák a magok alakizomér állapotait. A hagyományos, enerigiafelületi számításokkal nagyon jó az egyezés.

Az új módszer előnye az, hogy az általa meghatározott szimmetriára kiválasztási szabály alapozhtó. Ezáltal lehetővé teszi az alakizomér állapotok lehetséges fürtösödésének (klaszerizációjának) meghatározását. Ez pedig közvetlen módon felfedi, hogy mely reakciócsatornák alkalmasak az egzotikus állapotok előállítására.

Ábraszöveg:
Az alakizomér állapotok meghatározására használt két alapvető módszer sematikus összevetése. A felső kép a hagyományos, energiafelületi számolás eredményét szemlélteti.
Az alsó az új, szimmetrián alapuló módszert mutatja. A rövidítesek jelentése: GS alapállapot, SD szuperdeformált, HD hiperdeformált. Beta a deformációs paraméter, ami a gömbalaktól való eltérés mértéke. E az energiát jelöli. A szimmetria (és deformáció) stabilitási tartományait az alsó ábrán a vízszintes szakaszok képviselik. Ezek kezdőpontján a deformáció bemenő (in) és végeredméy (out) értéke (közel) megegyezik. Ez jelenti az önkonzisztencia követelmény teljesülését.
 

Az alsó paleolitikumban a Pireneusok a Földközi-tengertől az Atlanti-óceánig mintegy 415 km hosszan elnyúló láncolata természetes határt jelentett a népvándorlásnak. Ezzel szemben a felső paleolitikumban a vonulat déli és északi oldalának kapcsolata már bizonyítható a nyersanyagbeszerzési és tipológiai vizsgálatok alapján. A kőkori vadászcsoportok vándorlását főképp a kőeszköz-nyersanyagok vizsgálatával lehet nyomon követni. Ennek megfelelően a kovaköveken végzett vizsgálatok alapvetőek az ősember környezethez való viszonyának jobb megértéséhez.

A források elkülönítésére geokémiai módszerek jól használhatók, azonban a kövakövek analízisének egyik fő problémája, hogy a nagy szilíciumtartalom mellett a néhány ppm koncentrációjú nyomelemek kimutatása olykor nehézséget okoz. Továbbá annak meghatározása sem egyszerű, hogy ezen elemek magában a tömbi anyagban vagy zárványokban találhatók. Így esett a választás az elemek eloszlásának feltérképezésére alkalmas roncsolásmentes analitikai technikára, a részecskeindukált röntgenemisszióra (PIXE). A vizsgálatok elvégzésére az MTA Atomki Ionnyaláb-fizikai Laboratóriumában került sor a H2020 IPERION CH projekt keretében. A kutatás során a Közép-Pireneusok északi oldalán található három geológiai lelőhelyről (Buala, Montgalliard és Montsaunès) származó kovaköveket vizsgáltunk és hasonlítottunk össze a magdaléni időszakban (i.e. 18800-13700) használt kovakő műtárgyakkal, melyek régészeti lelőhelyei (Forcas I Shelter, Cova del Parco és Montlleó) a hegyvonulat déli oldalán találhatóak. Elsődleges célként tűztük ki a nyomelemek mennyiségi és minőségi meghatározását a minták mátrixában és a fellelhető zárványokban, hogy képet kapjunk a földtani és a régészeti leletek közötti különbségekről és hasonlóságokról. A kovakövek jellemzésére a PIXE analitikai módszerrel kapott koncentrációadatokat statisztikai analízisnek (főkomponens analízis) vetettük alá.

Összetételük alapján a parcói leletek és néhány montlleói tárgy összefüggésbe hozhatók a Montgalliard és Montsaunès geológiai lelőhelyekkel, míg a Forcasban talált műtárgyak eddig ismeretlen területről származnak. Eredményeink a Pireneusokon átívelő nyersanyagbeszerzési stratégiára utalnak a korszakban.

Az atommagok vizsgálata során már igen korán, az 1930-as években felismerték, hogy bizonyos proton- illetve neutronszámoknak kitüntetett jelentősége van az atommagok szerkezetében. A 2, 8, 20, 28, 50, 82, … neutront és/vagy protont tartalmazó elemek gyakoribbak, mint a környezetükben levő más elemek. A β-stabilitási völgy közelében ezek az atommagok igen nehezen gerjeszthetők, különösen stabil szerkezettel és gömbölyű alakkal rendelkeznek. Ezeket a különleges számokat Wigner Jenő nevezte el mágikus számoknak, mivel kötési energiáik az atommag első modelljével, a folyadékcsepp modellel nem voltak értelmezhetőek.

Az elmúlt évtizedben többek között az Atomki kutatói által végzett kísérletek egyértelműen bizonyítják, hogy a stabilitási sáv közelében megszokott számok elveszítik mágikusságukat és helyettük új mágikus számok keletkeznek a nukleon-elhullatási vonalak közelében. A neutron-elhullatási vonal közelében megszűnik az N=8, és analóg módon a proton-elhullatási vonalon túl a Z=8 héjzáródás. Extrém, 2:1 neutron/proton-aránynál eltűnik az N=20 héjköz és helyette létrejön előbb az N=14, majd az N=16 alhéjzáródás. Az N=2Z vonal közelében elmosódik az N=28 héjzáródás is a ⁴²Si-ban. A magszerkezet-kutatás egyik kulcskérdése, hogy mennyire stabilak a nagyobb mágikus számok. A következő mágikus szám az 50, melynek stabilitása a neutrongazdag oldalon a ⁷⁸Ni, protongazdag oldalon a ¹⁰⁰Sn kétszer mágikusnak várt magok szerkezetét érinti leginkább.

A ⁷⁸Ni körüli atommagok szerkezetére vonatkozó kutatásainkat a világ vezető radioaktív ionnyalábgyárában – ahol a különleges izotópok választéka a legszélesebb és intenzitásuk a legnagyobb – Japánban a RIKEN-ben végeztük egy nemzetközi kutatócsoport részeként. ²³⁸U hasításával állítottunk elő ⁷⁹Cu és ⁸⁰Zn magokat, amiket folyékony hidrogén céltárgyra vezettünk. A hidrogénen lezajló (p,2p) és (p,3p) reakciókban állítottuk elő a ⁷⁸Ni gerjesztett állapotait. A gerjesztett állapotok bomlásából származó gamma-sugárzásokból származtattuk a mag gerjesztett állapotainak energiáit. A ⁷⁸Ni atommag első gerjesztett állapotának az energiája 2.6 MeV-nek adódott, ami azt mutatja, hogy a ⁷⁸Ni még kétszer mágikus, az N=50 héjzáródás Z=28-nál megmaradt. A fenti ökölszabály szerint a ⁷⁴Cr-nál várható, hogy alapállapotában már nem érződik az N=50 mágikus szám hatása. A ⁷⁴Cr deformált alapállapotával analóg állapotot is sikerült azonosítani a ⁷⁸Ni-ben 2.9 MeV-es gerjesztési energiánál.

Az elért eredményekről a Nature-ben számoltunk be.

A kvantummechanika tanítása szerint egy fizikai rendszer viselkedését annak energiaoperátora (máskent: Hamilton-operátora) kormányozza. Ha ez az operátor rendelkezik valamilyen szimmetriával, de a rendszer alapállapota nem mutatja ezt a szimmetriát, akkor azt mondjuk, hogy a szimmetria spontán sérül. Például: a nukleonok között működő kölcsönhatás gömbszimmetrikus, de ha a soknukleon-rendszer (vagyis az atommag) alapállapota nem gömbszimmetrikus, akkor a gömbszimmetria spontán sérül. Ez a helyzet a létező atommagok döntő többségében.

A fizikusok már régen felismerték, hogy a magok deformációja a spontán szimmetriasértés következménye, és azt többféle elmélet keretében elemezték. A jelen munka három szempontból hozott újdonságot:

1. Korábban csak a magok kvadrupólus deformációját vizsgálták a szimmetriasértés szemszögéből. Ez a legáltalánosabb  magdeformáció. Tipikus megjelenése (a gömbölyűhöz képest) megnyúlt, vagy belapult alak léte. Ez a munka tárgyalja  nemcsak a kvadrupólus, hanem az oktupólus (körte alakú), valamint a molekulaszerű (vagy kristályszerű) konfigurációk megjelenését is, mint a spontán szimmetriasértés  következményét.

2. A cikk másik újdonsága az, hogy a spontán szimmetriasértést az Elliott-modell keretében tárgyalja. Az Elliott-modell a magszerkezetnek az egyik legrégebbi (1958-ban született) modellje, és egyúttal az egyik legfontosabbika. Ez a modell világította meg elsőként a kapcsolatot a magok kollektív viselkedése (alakja, forgása), és a nukleonok egyéni szabadsági fokai között. A legtöbb magszerkezet-tankönyv ismerteti Elliott modelljét. Ezért voltaképpen nagyon meglepő, hogy a spontán szimmetriasértést e modell keretében eddig még nem ismerték föl, miközben újabb, és bonyolultabb elméletek keretében már elemezték. 

3. Az Elliott-modell az algebrai (szimmetriamegfontolásokon alapuló) magmodellek prototípusa. Ennélfogva, a spontán sértés ilyetén tárgyalása egyszerűen átvihető más algebrai modellekre is.

A dolgozat érdekes lehet módszertani, vagy akár pedagógiai szempontból is. Ugyanis egy egyszerű modell keretében írja le részletesen a spontán szimmetriasértést. Talán egyszerűbben és áttekinthetőbben, mint az eddigi tárgyalások. Márpedig a spontán szimmetriasértés nagyon fontos jelenség,
a fizika több ágában is. Köztudottan ez a felelős (többek között) a mágnesezettségért, a szuperfolyékonyságért, a szupravezetésért, és az elemi részecskék tömegéért is. 

A fogászatban leggyakrabban titánt és ötvözeteit, valamint cirkónium kerámiákat alkalmaznak implantátumok és fogpótlások anyagaiként.  Széleskörű fogászati felhasználásuk kulcsa biokompatibilitásukban rejlik. A pótlások élettartamának növelése érdekében elengedhetetlenül fontos, hogy megerősítsük a kerámia alapú protézisek és ragasztóanyagaik közti kötést, növeljük a ragasztás szilárdságát.

Ennek érdekében, az Atomki elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) ionforrásának segítségével létrehozott szilícium és oxigén ionnyalábokkal lőttünk be cirkónium kerámiákat, ezzel módosítva a felszínek anyagi összetételét a felső néhány 10 nm-ben. A szilícium ionok előállítása SiH₄ (szilán) gázból történt. Az ionnyaláb többféle töltésállapotú (általában 1-től 5-ig) szilícium iont tartalmaz, ezek behatolási mélysége cirkóniumba eltérő. Mélységi eloszlásuk az ECR ionforrás feszültségével (vagyis a nyaláb energiájának változtatásával) pontosan szabályozható.

Cikkünkben bemutatjuk, hogy a besugárzási körülmények (nyalábenergia, szilícium ionok mennyisége, elő- és utókezelés, stb.) hatására hogyan változnak a cirkónium minta fizikai tulajdonságai, valamint az alkalmazhatóság szempontjából legfontosabb paramétere, ragaszthatóságának erőssége.

Az hamar bebizonyosodott, hogy a szilíciummal nem kezelt cirkónium felületek nyírószilárdsága elmarad a szilíciummal implantált felületekhez képest. Az 1x10¹⁷ ion/cm² dózisú besugárzásokat követő nyírószilárdság mérések ezt követően egyértelműen körülhatárolták az optimális implantációs körülményeket: 3 kV kivonófeszültség, kombinált (szilícium és oxigén) ionbesugárzás, oxigénes fellevegőzés.

A jelenleg még alapkutatási fázisban lévő munkánkat terveink szerint folytatjuk a gyakorlati alkalmazhatóság irányába. Az ebben a cikkben bemutatott eredmények egyben jó példák arra, hogy egy eredetileg teljesen más célból létrehozott berendezést (az ECR ionforrás általában nagy nukleáris részecskegyorsítók első eleme) kis módosítással sikeresen alkalmazhatunk más területeken is.

A nem gömb alakú atommagok legkisebb energiájú gerjesztett állapotaihoz tartozó mozgásforma a forgás. A gömbszimmetrikus atommagok a kvantummechanika szerint nem foroghatnak, hiszen egy gömbszimmetrikus kvantummechanikai rendszer térbeli elforgatása nem eredményez új állapotot. A nem gömb alakú atommagok többségének az alakja közelítőleg forgási ellipszoid, azaz az egyik tengelye körül megforgatott ellipszis (szivar alak). Az ilyen alakú atommagok a szimmetriatengelyre (azaz a szivar hossztengelyére) merőleges tengely körül foroghatnak, amely forgástengely iránya egybeesik a perdületvektor irányával, és a térben állandó.  

A legújabb atommag-elméletek szerint bizonyos neutronszám és protonszám tartományba tartozó atommagok alakja nem forgási ellipszoid, hanem háromtengelyű ellipszoid. Az ilyen atommagok a fentebb leírt forgáson kívül egy bonyolultabb forgást is végezhetnek: gyorsan forognak az egyik főtengely körül és ez a forgástengelyük a térben állandó perdületvektor körül lassabban körbefordul. Ez némileg hasonló a Föld forgástengelyének elfordulásához az állócsillagokhoz képest és a magfizikai szakirodalomban imbolygó forgásnak nevezik. Ilyen forgást eddig nagyon kevés atommag esetén sikerült kimutatni, a ~100 nukleont tartalmazó atommagok tartományában pedig egyáltalán nem volt ismert.

Az MTA Atomki kutatói nemzetközi együttműködésben vizsgálták a 105-ös tömegszámú, azaz 46 protont és 59 neutront tartalmazó palládium atommag forgását. Kísérletileg meghatározták a gerjesztett állapotok azon új csoportját, amely az imbolygó forgáshoz tartozhat, valamint az ezen állapotok bomlásából származó gamma-sugárzások tulajdonságait. A kísérletben a franciaországi IReS kutatóintézet részecskegyorsítóját és a nemzetközi együttműködésben létrehozott EUROBALL gamma detektorrendszert, valamint a DIAMANT töltött-részecske detektort használták. Ez utóbbinak a kifejlesztésében az MTA Atomki kutatói szintén vezető szerepet játszottak.

A kapott kísérleti eredmények jó egyezésben vannak az atommag-elméleti számítások előrejelzéseivel és bizonyítják a 105-ös tömegszámú palládium atommag háromtengelyű ellipszoid alakját, valamint az imbolygó forgás jelenlétét. Ez volt az első olyan kísérlet, amelyben az imbolygó forgást egy páratlan számú neutront tartalmazó atommagban figyelték meg. Az eredmények megerősítik azt az elméleti előrejelzést, hogy az imbolygó forgás általános jelenség a háromtengelyű ellipszoid alakú atommagok esetén.