A részecskeindukált röntgenemissziót (PIXE), kiegészítve más (ionnyalábos) analitikai technikákkal, széles körben alkalmazzák számos multidiszciplináris kutatási területen, a konkurens módszerek, mint az ICP-MS, XRF vagy a szinkrotron-alapú technikák előretörésének ellenére. Az ATOMKI-ban a PIXE módszer két fő alkalmazási területe a városi aeroszolszennyezés jellemzése és az archeometria. A PIXE technika előnyei a következők: gyors, teljesen kvantitatív standardok használata nélkül is, az elemek széles skáláját lefedi (Z= 6-92), általában nem igényel semmilyen mintaelőkészítést, nagyon kis mintatömeg elegendő az elemzéshez, körültekintő alkalmazása esetén roncsolásmentes, valamint egyidejűleg alkalmazható más ionnyaláb analitikai módszerekkel együtt.

Az ATOMKI 2MV Tandetron gyorsítójának bal 45 fokos nyalábcsatornájára kifejlesztettünk egy mobil, levegőre kihozott nyalábos PIXE mérőrendszert, amely képes a különböző típusú minták elemi összetételének gyors analízisére széles rendszámtartományban (N-U), nagyon jó érzékenységgel. A levegőre kihozott rendszereknek számos előnye van: egyszerű és gyors mintacsere, nincs töltődés, a minta nyaláb okozta hőkárosodása csökken, az illékony elemek nem párolognak el, valamint vákuumérzékeny és nagyméretű tárgyak is vizsgálhatók. A mérőrendszer részei a következők: egy röntgendetektor klaszter, 2 pozícionáló lézer, egy digitális kamera-mikroszkóp, egy X-Y precíziós mintamozgató, egy Faraday-kalitkához kapcsolt pikoamper mérő, valamint egy PC-n futó mérésvezérlő és adatgyűjtő szoftver-együttes. Alapesetben a detektor-klaszter három 65 mm²-es Be ablakos SDD detektorból és egy 30 mm² felületű, ultravékony Si₃N₄ ablakkal rendelkező SDD detektorból áll, de ha az analitikai feladat megkívánja, a mérőrendszer egyszerűen kiegészíthető további detektorokkal (pl. részecske vagy gamma detektor). A rendszer 2 L/perc He áramlásban lehetővé teszi a 0,35 keV és 26 keV közötti röntgensugárzás, azaz a Z > 6 rendszámú elemek egyidejű detektálását.

Kimutattuk, hogy az ultravékony ablakú detektor és a céltárgy közötti He-telítettségi szint ismerete nagyon fontos, mert a telítettség néhány tized százalékos ingadozása a könnyű elemek esetében (Z<17) jelentősen befolyásolja a számított koncentráció értékeket. A He telítettség becsléséhez a kisenergiájú röntgenvonalak mérése szolgáltatja az információt.

Legjobb tudomásunk szerint ez az egyetlen olyan levegőre kihozott nyalábos PIXE-rendszer, amely 0,35 keV-ig lefelé méri a karakterisztikus röntgenenergiákat, és valamennyi mért elemre vonatkozóan mennyiségi információt szolgáltat.

A rendszer jelenlegi állapotában alkalmas mind vékony, mind vastag minták gyors, nagy érzékenységű komplex analízisére, ami megfelel a korszerű légköri aeroszol- és örökségtudományi kutatások követelményeinek. Ezzel az új, nagy teljesítőképességű PIXE-rendszerrel akár 100-150 minta PIXE mérését is el tudjuk végezni egy 10-12 órás műszakban, minimalizálva a drága és korlátozottan rendelkezésre álló gyorsítóidő felhasználást.

Körülbelül 20 évvel ezelőtt az atommagok térképén felfedeztek egy új inverziószigetet az N=40-es klasszikus héjzáródás közelében, ahol az atommagok a legalacsonyabb energiájú alapállapotban deformált alakúak, a nukleonpályák energiája megváltozik, ami ennek a héjzáródásnak a megszűnésével jár. A szigeten lévő atommagokat azóta számos kísérletben tanulmányozták, azonban határait még nem sikerült felderíteni.

Az elméleti számolások a „délnyugati” határvidéket az 59-es tömegszámú vanádiumizotóp környékén várják. Ezért megvizsgáltuk az 59-es és 61-es tömegszámú vanádiumizotópok szerkezetét a világon először gamma-spektroszkópiai módszerekkel. Öt átmenetet azonosítottunk a ⁶¹V esetén és négyet az ⁵⁹V-nél az elméleti nívósémákkal összehasonlítva. Kimutattuk, hogy ebben a tartományban a megszokott kvadrupólus deformáció mellett a hexadekapólus deformációnak is jelentős szerepe van, amelyet a jövőben vizsgálni kell annak érdekében, hogy a magtérkép inverziós szigeteit körül tudjuk határolni.

Az ATOMKI-ben néhány éve a ⁸Be atommag nagyenergiájú átmeneteinek elektron-pozitron belső párkeltéssel való vizsgálata során egy olyan új anomáliát figyeltünk meg a részecskék szögkorrelációjában, amit egy új részecske (X17) keletkezésével és elektron-pozitron (e⁺e^-) párra történő bomlásával tudtunk megmagyarázni [1].  A jelenség közérthetőbb magyarázata korábbi  cikkeinkben található [2016/2 és 2021/10].  Az X17 részecske lehetséges kapcsolata a sötét anyaggal nagy érdeklődést váltott ki, és a cikk [1] több, mint 400 független hivatkozást kapott [2].

Az elmúlt évek során továbbfejlesztettük az általunk épített e⁺e^- pár spektrométert új plasztik szcintillátorokkal és helyérzékeny (DSSD) Si detektorokkal. Ezek kiolvasására egy új adatgyűjtő rendszert is építettünk. A felújított spektrométerrel az ATOMKI Tandetron Gyorsító Laboratóriumában különböző bombázó energiáknál vizsgáltuk a ³H(p,e⁺e^-)⁴He magreakciót. A keletkezett e⁺e^- párok szögkorrelációjában 115^o környékén, minden bombázó energia esetén, szignifikáns eltérést figyeltek meg a szimulált értékektől [3]. Az eltérések maximumainak változása (a ⁸Be esetén, ahol a maximum szöge 140^o körüli volt, és a ⁴He esetén, ahol a gerjesztési energia jóval nagyobb, a maximum szöge 115^o-nak adódott) kinematikai bizonyítékot jelent az X17 részecske létére. A kísérleti eredményeinket a legmodernebb (ab-initio) magfizikai számítások eredményeivel vetettük össze, és azokkal jó egyezést kaptunk.

A legújabb kísérletünkben a ¹²C E_x= 17.2 MeV-es J^π = 1⁻ gerjesztett állapotának pozitron-elektron (e⁺e^-) pár kibocsátásával történő bomlását tanulmányoztuk [4].  A fenti Γ=1.15 MeV széles rezonancia állapotot és annak környékét a ¹¹B(p,e⁺e⁻)¹²C magreakcióval gerjesztettük. A kísérleteket most is az ATOMKI Tandetron Laboratóriumában gyorsított (E_p= 1,50, 1,70, 1,88, 2,10 és 2,50 MeV-es energiájú) protonok segítségével végeztük.

A kilépő e⁺e^- párok energiaösszegét és azok szögkorrelációját mértük. Ezen mennyiségek eloszlásainak fő jellemzői jól leírhatók az 1⁻ rezonancia bomlását követő belső párkeltési folyamattal.  Az e⁺e^- párok szögkorrelációjának sima, monoton módon csökkenő eloszlásában azonban nagy szögek esetén, 155-160^o körül, jelentős csúcsszerű anomáliákat is megfigyeltünk négy különböző proton-energia esetén. Az  e⁺e^- eloszlásokban megfigyelt anomáliák ez esetben is jól leírhatóak az X17 részecske keletkezésének és későbbi bomlásának feltételezésével. Az eloszlások és szimulációk összehasonlításával az X17 részecskére kapott invariáns tömeg m_Xc² = 17,03 ±0.11(stat.±0.20(syst.)) MeV-nek adódott, ami jól egyezik a korábban publikált értékekkel [1- 4].

Az X17 részecske kibocsátásával történő bomlás megfigyelése a fenti E1 átmenetben alátámasztja a részecske vektoriális jellegét. Igy ez a részecske, az elméletei előrejelzések alapján, valóban jelentős szerepet tölthet be a sötét anyag szerkezetének megismerésében. Eredményeinkről számos nemzetközi konferencián meghívott előadásban számoltam be, és cikk írására kértek fel a Nuclear Physics News-ba is [5].

Hivatkozások:

[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.042501

[2] https://scholar.google.hu/scholar?cites=17391295264019262192&as_sdt=2005&sciodt=0,5&hl=hu

[3] https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.104.044003?ft=1

[4] https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevC.106.L061601

[5] https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10619127.2022.2100157

A csillagközi környezetben lejátszódó asztrokémiai folyamatok vizsgálatának alapvető módszere a szilárd molekuláris anyagok (jegek) alacsony hőmérsékleten (~20 K) történő besugárzása. Ugyanakkor az eddigi kutatásokban alig vizsgálták azt, hogy a jegek kristályszerkezete hogyan hat a besugárzás során bekövetkező kémiai változásokra. Előző munkánkban megmutattuk, hogy a szilárd metanolban, dinitrogén-oxidban és vízben lejátszódó folyamatok függenek a jegek fázisaitól: Az amorf szerkezetű jegek besugárzása során az anyamolekulák sokkal gyorsabban bomlanak el, és a leánymolekulák is gyorsabban halmozódnak fel. Ezt az eredményt azzal értelmeztük, hogy a lövedék-elektronoknak a kristályokban "le kell küzdeniük” a kristályszerkezet kiterjedt tartományaiban jelen lévő stabilizáló erőket is (rács-energia, vagy bizonyos esetekben erős, molekulák közötti hidrogén-kötések), míg az amorf fázisú jegekben ezeknek jóval kisebb a szerepük. Ezekből az eredményekből lényeges következtetéseket vonhatunk le a csillagközi térben zajló folyamatokra nézve, ugyanis ezek alapján sokkal produktívabb kémiát tételezhetünk fel olyan asztrokémiai környezetben, ahol a jég kristályosodását kiváltó hőmérsékleti folyamatok korlátozottak. Ezt az értelmezést alátámasztják azok a friss megfigyelések is, melyek során globulákat (csillagkeletkezés korai fázisa) vizsgálva komplex szerves molekulák nyomait találták.

A jelen közleményben az előző kísérleti munkánkat folytatva 20 K hőmérsékleten közepes energiájú elektronokkal sugároztunk be amorf és kristályos szerkezetű kén-hidrogén és kén-dioxid jegeket. Ez különösen érdekes a kén asztrokémiájára számara. A kén esetében ugyanis egy mindeddig magyarázat nélküli „hiány” tapasztalható a sűrű csillagközi anyagban. A szilárd kén-hidrogénen végzett kísérleteink a korábban vizsgált jegekhez hasonló eredményre vezettek: A kristályos szerkezetű jéghez képest sokkal gyorsabban csökken a kiinduló molekulák száma az amorf szerkezetű jég esetén. A kén-dioxid esetében rendhagyó viselkedést is megfigyeltünk: Az amorf kén-dioxid jég alacsony lövedékáram mellett jobban ellenáll a radiolitikus bomlásnak, mint a kristályos fázis, amely kémiailag sokkal produktívabbnak bizonyult. Számszerűsítettük az IR spektroszkópiával megfigyelhető kén fogyásának mértékét a besugárzás után megmaradt anyagban. Úgy találtuk, hogy a kísérleteink során az amorf szerkezetű kéntartalmú jegek esetén a fogyás mértéke meghaladhatja a 40 %-ot. Ez az eredmény részben magyarázatul szolgál arra, hogy a sűrű csillagközi anyagban vártnál jelentősen kevesebb mennyiségű ként figyeltek meg.

A csillagok működésének, energiatermelésének, fejlődésének megértéséhez, valamint a világegyetemet felépítő anyag kémiai összetételének megmagyarázásához többek között a csillagokban zajló magreakciókat kell ismernünk. E reakciók kísérleti vizsgálata kisenergiás részecskegyorsítókkal lehetséges, azonban az ilyen kísérleti nukleáris asztrofizikai kutatásoknak egy, az atommagfizikában szokatlan nehézséggel kell szembenézniük.

A csillagokra jellemző hőmérsékleten a magreakciók nagyon lassan zajlanak, magfizikai szakkifejezéssel élve extrém alacsony a hatáskeresztmetszetük. Ezeknek az alacsony hatáskeresztmetszeteknek a mérése csak úgy lehetséges, ha megszabadulunk minden zavaró tényezőtől. Az egyik ilyen zavaró tényező a kozmikus háttérsugárzás által okozott háttér, ami elnyomhatja a vizsgált reakcióból származó gyenge jeleket. A kozmikus sugárzástól legjobban úgy lehet megszabadulni, ha a kísérletet mélyen a föld felszíne alatt végezzük, leárnyékolva így a zavaró sugárzást. Asztrofizikai szempontból fontos magreakciók tehát gyakran csak egy mély földalatti gyorsítóval vizsgálhatók hatékonyan.

Egészen a legutóbbi évekig mindössze egy mély földalatti gyorsító létezett, amit Olaszországban a LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) együttműködés üzemeltet. Negyedszázados működése során ennél a gyorsítónál számos asztrofizikai jelentőségű reakció hatáskeresztmetszetét tudtuk megmérni. A LUNA együttműködés sikerén felbuzdulva jelenleg már világszerte három másik helyen is zajlik nukleáris asztrofizikai kutatás földalatti gyorsítókkal.

Ebben az áttekintő cikkben főként a LUNA együttműködés technikáit és eredményeit felhasználva bemutatjuk a mély földalatti gyorsítóval végzett mérések sajátosságait, valamint azokat a módszereket, amikkel legjobban ki lehet aknázni egy ilyen helyszín által nyújtott egyedülálló lehetőségeket. Számos reakció példáján keresztül demonstráljuk, hogy milyen fontos asztrofizikai eredmények érhetők el a földalatti helyszín és a modern, gondosan kidolgozott kísérleti technika alkalmazásával.

Az elmúlt egy évtized anyagtudományi kutatásainak kiemelt célterülete a szintetikus perovszkitok optoelektronikai viselkedésének vizsgálata volt, amelyet elsősorban napelemekben és fénykibocsájtó eszközökben való alkalmazhatóságuk motivált. A perovszkit kristályokban külső gerjesztés hatására keltett töltéshordozók élettartama jelentősen nagyobb más félvezetőkhöz viszonyítva. Ennek oka a vezetési sáv energiaszintjeinek a speciális kristályrácsból eredő átrendeződése, melynek köszönhetően drasztikusan lecsökken a gerjesztett állapotok termikus relaxációjának valószínűsége. Alacsony exciton kötési energiák esetén ez teszi lehetővé a szabad töltéshordozók nagy kvantumhatásfokú kigyűjtését, míg a nagy exciton kötési energiák a radiatív rekombináció valószínűségét növelik. Ez utóbbi eset erős kvantumbezárással is megvalósítható félvezető nanokristályokban, viszont a felületi állapotok, mint lokalizált csapdák elfojtják a lumineszcenciát.

A perovszkit szerkezet másik nagy előnye, hogy a felületi állapotok és más kristályhibákból eredő csapdaállapotok energiája magasabb a sávéleken relaxált excitonokétól, így akkor is erősen lumineszkálnak, ha nano- vagy mikrokristályos formában állítjuk elő őket. Ezt a tulajdonságukat használtuk ki a Cs₃Cu₂I₅ és CsCu₂I₃ összetételű polikristályos rétegek radiolumineszcenciájának tanulmányozása céljából. Az irodalomban több tanulmány született már ennek az anyagkombinációnak röntgensugárzás hatására kiváltott lumineszcenciája témájában, viszont részecskesugárzások ilyen módszerrel, másnéven szcintillációval történő detektálására nem volt példa.

A Szegedi Tudományegyetem és az ATOMKI kutatói közötti együttműködés keretében végzett kutatások kimutatták a réz-alapú perovszkit vékonyrétegek sugárzásdetektálásra való alkalmasságát. A rétegek képesek a konvencionális szcintillátoranyagokkal versenyképes spektroszkópiai pontosságra, előnyösen kombinálva nanoszekundum alatti időzítési pontosággal. Emellett a rétegek külső, káros hatásokkal, úgymint szélsőséges hőmérsékletekkel vagy nagyintenzitású sugárzással szembeni ellenállóképesége is szembetűnő. A rétegek előállítása egy egyszerű és költséghatékony módszeren alapul, ami a számos előnyös tulajdonságaival együtt lehetővé teszi a részecskedetektálás szélesebb körben való alkalmazhatóságát.