Létezik négy neutronból álló, proton nélküli „atommag”. Erre a következtetésre jutottak a kutatók a debreceni Atommagkutató Intézet (ATOMKI) munkatársai részvételével végzett kísérlet során, melynek eredményeit a Nature folyóiratban közölték. Az eredmények segítenek jobban megérteni az atommagokat összetartó erős kölcsönhatást és a neutroncsillagokban működő erőket.

Az anyagi világ valaha legkisebbnek gondolt építőkövei az atomok, amelyekről a XX. század folyamán kiderült, hogy tovább oszthatók: a pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból álló atommagot veszi körül a negatív töltésű elektronok felhője.

Az atommagfizika régóta megválaszolatlan kérdése a töltés nélküli magfizikai rendszerek keletkezése, azaz: létezhet-e atommag pozitív töltésű proton nélkül? Mai tudásunk szerint a tisztán neutronokból álló rendszerek csakis a neutroncsillagokban keletkezhetnek, olyan körülmények között, ahol a nagyszámú neutront a gravitáció tartja és préseli össze nagy sűrűségű anyaggá.

Néhány elméleti számolás szerint létezhet az ennél kevesebb, mindössze négy neutronból álló rendszer, az úgynevezett tetraneutron. Azonban számos elméleti fizikus ennek létét a mai napig elveti.

A Nature folyóiratban nemrég megjelent, az Atommagkutató Intézet (ATOMKI) munkatársainak részvételével zajló kísérletsorozat eredményei alapján, ha nem is hosszú ideig, de létezik a tetraneutron. A kísérleteket a japán RIKEN kutatóintézetben végezték, a feladat nagysága miatt két nagy kollaboráció összefogásával. (Kollaboráció = együttműködés, valamely kutatási témát közösen vizsgáló nemzetközi csoport.) Az ATOMKI kutatói a kísérletben alkalmazott mérőberendezések – elsősorban a neutrondetektor – összeállításában és működtetésében vettek részt, mindkét kollaboráció tagjaként.

A kísérletben először nagyenergiás egzotikus radioaktív atommagokat hoztak létre egymással összekapcsolt részecskegyorsító berendezések segítségével. Az egzotikus atommag a hélium 8-as tömegszámú izotópja volt (⁸He), amely 2 protonból és 6 neutronból áll. Ez az atommag nem stabil, rövid időn belül radioaktív bomlást szenved, felezési ideje mindössze 119 ms (milliszekundum = 10^-3 s). Az egzotikus szó itt azt jelenti, hogy a tömeg/töltés arány jelentősen eltér a természetet alkotó stabil atommagok arányától; jelen esetben ez az arány 4, míg a természetben a legnagyobb arányt (2,5) az ólom képviseli. Az 1,2 GeV (gigaelektronvolt) energiájú ⁸He atommagokat rálőtték a protonokból álló céltárgyra. A hidrogén atommagja egyetlen protonból áll, ezért céltárgyként folyékony állapotú (-255 °C hőmérsékletű) hidrogént használtak.

Az esetek egy részében a bombázó ⁸He ütközik a céltárgyat alkotó protonok valamelyikével; a proton csak meglökődik, de a ⁸He az ütközés következtében szétesik: ⁴He (a leggyakoribb előfordulású, stabil hélium atommag) és ⁴n, azaz tetraneutron keletkezik.

A tetraneutron közvetlen módon történő kimutatására szolgáló neutrondetektorban túl kevés négyneutronos eseményt sikerült azonosítani, így ennek eredményére támaszkodva megbízható kijelentéseket nem lehetett tenni. Ezért a kísérletben résztvevő kutatók egy közvetett módszer, az úgynevezett hiányzó-tömeg-spektroszkópia alkalmazása mellett döntöttek. Ennek lényege, hogy nem a kérdéses tetraneutront detektálják, hanem a kiinduló ⁸He, a meglökött proton és az ütközésben keletkező ⁴He megfelelő adatainak ismeretében következtetnek a szintén az ütközésben keletkező tetraneutron tulajdonságaira.

A kísérlet fő kérdése az volt, vajon a keletkező négy neutron valóban képes-e egyben maradni, azaz tetraneutront alkotni. A közvetett módszerrel adott válasz: igen, de mindössze kb. 10-22 másodpercig. Eszerint tehát tiszta neutronanyagot nem csupán a gravitációs, hanem az erős kölcsönhatás is képes összetartani. A kutatók további kísérleteket és méréseket terveznek a pontosabb válaszok eléréséhez.

A tetraneutron létezésének kimutatása és életidejének pontos meghatározása kulcsfontosságú az atommagot alkotó protonok és neutronok között fellépő, azokat összetartó erős kölcsönhatás tulajdonságainak jobb megértéséhez és további ismereteket nyújt a neutroncsillagokat összetartó erőkről.

A világűrbeli jegekhez hasonló összetételű jegekben (analógokban) sugárzás hatására végbemenő kémiai változások laboratóriumi vizsgálatai azt mutatják, hogy ez a kémia számos paramétertől függ, például a jég hőmérsékletétől, a besugárzó részecske energiájától és tömegétől. Létezik azonban egy további paraméter, nevezetesen a céltárgyként használt szilárd jég fázisa (azaz, hogy a jég szerkezete amorf, vagy kristályos), ami az irodalomban lényegesen ritkábban kerül említésre. Fontos megértenünk, hogy a sugárzás által kiváltott asztrokémiai reakciók kimenetelében a jég fázisa milyen szerepet játszik. Ismeretes, hogy az asztrofizikai jegek a hő által kiváltott kristályosodási, és a sugárzás hatásara elinduló amorfizációs ciklusokon mennek keresztül, és mindkettő hatással lehet a végbemenő kémiai folyamatokra.

Ebben a közleményben azokat az eredményeinket mutatjuk be, amelyeket tiszta dinitrogén-monoxid (N₂O, kéjgáz, nevetőgáz) és metanol (CH₃OH) asztrofizikai jéganalógokon 20 K hőmérsékleten, 2 keV-es elektronokkal történő besugárzás során kaptunk. A kísérletek során azt vizsgáltuk, hogy milyen hatással van a jegekben végbemenő kémiai változásokra a jég szilárd fázisának jellege. A céltárgy jegek kiválasztásában a fő szempont az volt, hogy a természetes asztrofizikai környezetben mindketten jelen vannak, a molekuláik közötti kölcsönhatások viszont erősen különböznek. A metanol molekulái között erős hidrogénkötések vannak, míg a nevetőgáz molekulái között a viszonylag gyenge dipólmomentumok vonzó kölcsönhatása a meghatározó.

Az eredményeink azt mutatták, hogy az amorf metanol jég besugárzás hatására végbemenő bomlása lényegesen gyorsabb volt, mint a kristályos fázisé. Ezzel szemben az N₂O jég bomlási tendenciái az amorf és kristályos esetben sokkal jobban hasonlítottak egymáshoz, bár az amorf fázis bomlása itt is kicsivel gyorsabb volt.

Ezeket az eredményeket a jégben fellépő, molekulák közötti kötések természetében és mértékében mutatkozó különbségeknek tulajdonítjuk. A metanol jég kristályos fázisában sok, szabályosan elhelyezkedő hidrogénkötés jön létre, ami nagyfokú stabilitást biztosít a sugárzás hatására bekövetkező bomlás ellen. A beeső elektronok kinetikus energiájának egy része ugyanis ennek az erős és kiterjedt hidrogénkötő hálózatnak a felszakítására kell, hogy fordítódjon. Az amorf fázisban a molekulák dezorientációja miatt a hidrogénkötések száma kisebb, így az a radiolitikus bomlással szemben kevésbé ellenálló. Ezzel szemben az N₂O esetében a dipólusmomentum orientációja a kristályos fázisban is alacsony energiaszintű kötést jelent, és csak alacsonyabb fokú stabilitást ad a jégnek. Ez megmagyarázza, miért kisebb a különbség a besugárzott amorf és kristályos N₂O fázisok bomlási görbéi között.

Az IPCC legfrissebb, hatodik jelentése szerint nagy biztonyossággal kijelenthető, hogy Északnyugat-Dél-Amerika (NWSA) csapadékmennyisége az előrejelzések szerint növekedni fog, rendkívül valószínű, hogy a világtengerek szintjének emelkedése folytatódni fog, valamint a gleccserekben őrzött víz mennyisége csökken, és a permafroszt olvadása valószínűleg folytatódni fog az Andokban is. Sokan gondolják, hogy ezek a változások messzebbre esnek Európától, ezért nem érdemes foglalkozni a kérdéskörrel. A közelmúltban azonban megnőtt a tudományos közösség érdeklődése a trópusok szerepe iránt, mivel döntő szerepet játszik a globális éghajlat módosításában és befolyásolásában (például az ENSO). Az NWSA régió különösen érdekes, mert itt található a három közel egyenlítői intenzív konvekciós áramlatok egyike, amelyek a trópusi levegőáramlatok csomópontjaként működnek. Sajnos egyenlítői-trópusi meteorológiai állomások és a hosszú távú paleoklíma rekordok alig állnak rendelkezésre.

Kutatásunk középpontjában ezért az egyenlítő körüli területek (<5°) múltbeli hidrológiai viszonyainak dendrokronológiai módszerekkel történő (fagyűrűk) tanulmányozása áll. Célunk, hogy tisztázzuk a dél-amerikai csapadékrendszerekre, azaz a dél-amerikai monszunrendszerre (SAMS) és az intertrópusi konvergencia zónára vonatkozó kétértelmű terminológiát, alkalmassá téve a jövőbeni paleoarchívumok kalibrálásához és az éghajlati modellezés validálásához.

Az Andok egyik endemikus trópusi cédrusfáját, a Cedrela nebulosi-t használtunk – először a hasonlü kutatások közöt – abból a célból, hogy az egyenlítőhöz közel nőtt faévgyűrűk szélességét, oxigén (δ¹⁸O) és szén (δ¹³C) izotóp-összetételek idősoraiból következtetéseket vonjunk le. A vizsgált kronológiák 154 évet (1864–2018) ölelnek át. Azt találtuk, hogy az ITCZ ​​a hidrológia elsődleges vezérlője, és ezen a szélességi körön nem figyelhető meg a monszun hatása. A δ¹⁸O boreális tavaszi (március-június) csapadékot regisztrál a napéjegyenlőség utáni erős konvekció (zenitális eső) miatt, amely az egyenlítői áramlási dinamikát követi. Hasonlóképpen, a boreális nyáron (július-szeptember) az ITCZ ​​Közép-Amerikába történő migrációja miatti felhőcsökkenés megnöveli a napsütés időtartamát, fokozza a fotoszintézis intenzitását, végső soron szabályozva a fagyűrűk szén izotóparányának változékonyságát. Összességében ezek az eredmények azt mutatják, hogy a Cedrela nebulosa jól alkalmazkodik a nedves környezethez, évgyűrűket alkot. Cikkünk az első olyan trópusi dendroklimatológiai vizsgálat, amelyet teljesen az Atomkiban végeztek el.

A holografikus mintázatok pontos ismerete lehetővé tenné az ultragyors elektronmozgások jobb modellezését, amelyek az erős térerejű attoszekundumos fotoelektron holográfia (Strong Field Attosecond Photoelectron Holography, SFAPH) alapját képezi. Ez utóbbit hatékony eszköznek tekintik az atomi és molekuláris kvantumrendszerekben lejátszódó ultragyors jelenségek dinamikus leképezésére, ami rendelkezik a dinamikus képalkotáshoz szükséges nagy időbeli és térbeli felbontással.

Ebben a munkában az erős térerejű attoszekundumos fotoelektron-holográfia numerikus vizsgálatait mutattuk be a holografikus interferencia-struktúrák elemzésével kétdimenziós fotoelektron impulzus-eloszlásban (Photoelectron Momentum Distribution, PMD). Céltárgynak hidrogénatomot, gerjesztő forrásként erős, infravörös lézerimpulzusokat használtunk. A számításokat a háromdimenziós időfüggő Schrödinger-egyenlet megoldásával végeztük el. A számítások során szinusz-négyzet burkoló felületű impulzust alkalmaztunk.

Megmutattuk, hogyan alakulnak ki az összetett interferencia-mintázatok a fél-ciklusú impulzustól a többciklusú impulzusukig. Eredményeket mutattunk be, amelyek bemutatják, hogy a PMD hogyan függ az optikai ciklusok számától, az alkalmazott lézerimpulzus intenzitásától és hullámhosszától. Ezen kívül olyan eredményeket is bemutattunk, amelyek figyelembe vették a vivőburoló felület fázisát. Ezt két értekre, 0° és 90°, közöltük.

Számításaink alapján megmutattuk, hogy az optikai ciklusok száma felelős a legismertebb holografikus struktúrák kialakulásáért. A PMD a háromciklusú impulzus esetében egy érdekes tulajdonságot mutat, nevezetesen azt, hogy a pókszerű, halszálkaszerű, pajzsszerű és legyezőszerű holografikus struktúrák ugyanabban a mintázatban azonosíthatók, jelezve, hogy a három ciklusú impulzusa igen jó pulzusjelölt lehet a holografikus struktúrák vizsgálatához. Ebben az esetben azt is meg kell említeni, hogy a küszöb feletti ionizációs (Above-Threshold Ionization, ATI) gyűrűk kevésbé hangsúlyosak, és nem mossák el a holografikus mintákat.

Többciklusú impulzusok esetén az ATI gyűrűs szerkezeten kívül a legyezőszerű és pókszerű lábak is jól azonosíthatók, de a halcsontszerű szerkezet és a pajzsszerkezet nem látható. A lézerimpulzus intenzitásának és hullámhosszának a PMD-re gyakorolt hatása azt mutatja, hogy ezek felelősek a holografikus struktúrákban lévő interferencia-peremek sűrűségéért. Azt tapasztaltuk, hogy a legyezőszerű szerkezet nagyon érzékeny a hullámhossz változására. Érdekes még megjegyezni, hogy ez a legyezőszerű szerkezet hosszabb hullámhosszak alkalmazásával eltűnhet.

Amikor egy heterogén anyagból álló szilárdtest (például egy szikladarab) ütközik egy másik testtel vagy egy kemény fallal, az ütközés sebességétől függően a folyamat kimenetele alapvetően kétféle lehet: alacsony sebesség esetén a test csak károsodik, azaz kisebb darabok szakadnak le róla, de mindig lesz egy, az eredetivel összemérhető tömegű maradvány. Ezzel szemben nagy sebességen jelentős számú repedés keletkezik, amelyek mentén a test sok apró darabra esik szét, fragmentálódik. A károsodás és fragmentáció fázisai közötti átmenet egy kritikus sebességnél következik be. Szilárdtestek ütközések által okozott károsodása és fragmentációja nagyon fontos szerepet játszik geológiai környezetünk fejlődésében: egy folyómederben hordalékszállítás közben lejátszódó alacsony energiás ütközések határozzák meg a részecskék (homokszemek, kavicsok) alakjának fejlődését, befolyásolják a vulkánkitörésekkor keletkező piroklasztikus részecskék mennyiségét, sőt a Naprendszerben távolabbra tekintve ezek az ütközési jelenségek felelősek az aszteroidák méretének és alakjának ma megfigyelhető jellemzőiért is. Az ütközések által okozott törési jelenségeket kiterjedten használják az iparban is, például az ércfeldolgozás (aprítás, őrlés) során. 

A projekt keretében a geológiai alakfejlődés szempontjából kiemelt jelentőségű károsodási fázis szerkezetét igyekeztünk feltárni. Ehhez szikladarabok kemény fallal történő ütközésének sorozatait állítottuk elő számítógépes szimulációval úgy, hogy a károsodási fázisban keletkező nagytömegű maradványt véletlenszerű orientációval, de a korábbival egyező sebességgel ismételten ütköztettük a fallal. Azt találtuk, hogy az ütközési sorozatnak két végállapota lehetséges: alacsony sebességen a maradvány tömege fokozatosan csökken, de konvergál egy véges határértékhez, míg magasabb sebességen a maradvány véges számú ütközésben megsemmisül. Megállapítottuk, hogy az ütközések által indukált törési jelenségek károsodási fázisa további két fázisra bomlik: a végtelen életidejű maradvánnyal jellemzett sebességtartomány a kopási jelenségek fázisaként azonosítható, míg véges életidő esetén az ismételt ütközések úgynevezett töredezést okoznak. Megmutattuk, hogy a tömegfogyás karakterisztikus ideje az ütközés sebességének hatványfüggvényeként csökken. Feltártuk, hogy a kopási fázisban a maradvány egy robusztus alakfejlődésen megy keresztül, ahol először a test csúcsai és élei kopnak le, ezután fokozatosan leválik a teljes eredeti felület, majd a test zsugorodni kezd egy közel izotróp alak felé. Kvantitatív eredményeinkkel fizikai megalapozását adtuk az úgynevezett görbület által hajtott alakfejlődés matematikai elméletének.

Az ionnyaláb-analízis (IBA) fontos szerepet játszik a kulturális örökség tárgyainak elemzésében, ami az IBA-alkalmazások folyamatosan növekvő számában tükröződik ezen a területen. Az IBA sikerének fő oka az, hogy abszolút elemkoncentráció-adatokat szolgáltat, ezenfelül információt nyújt az elemek eloszlásáról, viszonylag nagy az érzékenysége a könnyebb elemek esetében is, továbbá alkalmazható mind vákuumban mind atmoszférán. Az IBA-létesítmények, mint amilyenek az ATOMKI gyorsítóinál összeállított mérőelrendezések (korábban a Van de Graaff gyorsítóberendezésnél, jelenleg a Tandetron Laboratóriumban), fokozatosan alkalmazkodtak az egyedi és gyakran törékeny művészeti és régészeti tárgyak vizsgálatának követelményeihez, biztosítani tudják az egyidejű és egymást kiegészítő technikák, valamint a jó térbeli felbontású térképezési lehetőségek kombinációját. Az IBA-módszerek roncsolásmentesnek tekinthetők, mivel nincs szükség mintavételre. Az elemzés során az intenzív sugárzásnak az anyagra gyakorolt hatása és az anyagmódosítás lehetséges kockázatai azonban egyre nagyobb figyelmet keltenek az ezen a területen dolgozó kutatók körében.

Az IPERION CH és IPERION HS európai projektek keretében a pergamen ellenálló képességét vizsgáltuk protonbesugárzás által okozott esetleges károsító hatásokkal szemben. A pergamen egyedülálló történelmi kéziratok formájában van jelen kulturális örökségünk tárgyi emlékei között. Egy szerves, fehérjealapú anyag, így érzékenynek tekinthető. Szisztematikus besugárzásokat végeztünk a szokásos analitikai dózistartományban és azon túl, a változásokat optikai és elektronmikroszkóp segítségével követtük. Bizonyos dózis felett egyértelmű elváltozások jelentek meg a minta felszíne alatt, holott kívülről nem látszott károsodás. Ez az ionnyalábok azon tulajdonságával magyarázható, hogy energiájuk nagy részét útjuk végén adják le az anyagban. A kísérletek során a potenciális változások követésével megadtuk az elemzések biztonságos határát az általunk alkalmazott mérési körülményekre.