A Napnál kilencszer nagyobb méretű „masszív csillagok” fűtőanyaguk elégetése után szupernóva robbanások formájában semmisülnek meg, melynek során ledobják külső héjaikat és a csillagközi teret anyagukkal szórják tele. Ez a ledobott anyag köd formájában koncentrikusan tágul és alapanyagát szolgáltatja a későbbi csillagképződésnek. A mi Naprendszerünk alapanyagául szolgáló szupernóva köd összetételének közvetlen vizsgálatára a Földre hullott meteoritok segítségével van lehetőség. A köd anyaga ugyanis primitív, ősi meteoritokban megőrződik, és az a meteorit anyagától könnyen elválasztva vizsgálhatóvá válik.

Ulrich Ott és munkatársai tanulmányukban ennek a döntően szilícium-karbid (SiC) összetételű és speciális izotópos (sok ²⁸Si, ²⁶Al, ⁴⁴Ti) és nyomelem összetétellel jellemezhető anyagnak (SiC X szemcsék) vizsgálatával arra a kérdésre keresték a választ, hogy ez a köd anyaga a szupernóva robbanás után mennyivel kezd el kondenzálódni. Ennek megválaszolására korábban a vanádium 49-es izotópjának vizsgálata segítségével 2 évet becsültek. Jelen tanulmány szerzői a 30 éves felezési idővel rendelkező 137-es tömegszámú cézium, 137-es tömegszámú báriummá bomlásából valamint más izotóprendszerek (stroncium, molibdén) próbáltak meg következtetést levonni.       

A SiC X szemcsék báriumizotóp arányai keveredést mutatnak egy „normális” Nap eredetű és egy „egzotikus” komponens között. A ¹³⁵Ba hiánya és a ¹³⁷Ba kis koncentrációja az egzotikus komponensben r-folyamatra (gyorsneutron befogás) vagy a szupernóva O/Ne héjából történő származásra utalna. A molibdén izotóparányai ugyanakkor mindkettőt kizárják, ezért a megismert izotóparányok megértéséhez egy másik folyamatra, a ¹³⁷Ba szülőelemétől a céziumtól történő szeparációra kell gyanakodni kondenzáció során. Ez a szeparáció teszi lehetővé a kondenzátum kialakulási idejének becslését.    

A kapott eredmények azt mutatják, hogy a kondenzáció körülbelül 20 évvel kezdődik a szupernóva robbanás után. Ez a hosszú idő ugyanakkor felveti azt a kérdést, hogy hogyan volt képes a magas hőmérsékleten képződő SiC X részecske 20 évvel a robbanás után ~25K hőmérsékleten létrejönni. Miután a klasszikus nyomás – hőmérséklet – idő modellekkel a szemcsék fejlődése 20 éves kondenzációs idő mellett nem írható le, ezért nagy valószínűséggel, a SiC X szemcsék a túltelített gáz kondenzációjával képződtek.

(A magyar nyelvű összefoglalót írta: Benkó Zsolt)

A nukleáris asztrofizika többek között a világegyetemet felépítő kémiai elemek kialakulásával foglalkozik.
Az úgynevezett p-magok - melyek a protongazdag izotópok a ⁷⁴Se és ¹⁹⁶Hg között - kialakulásának megértéséhez hatalmas reakcióhálózat tanulmányozására van szükség.
Ezek közül az izotópok közül a legtöbb fotóbomlási reakciók láncolatán keresztül alakul ki a korábban létrejött neutrongazdagabb magokból (ez az úgynevezett gamma-folyamat).

Napjainkban a gamma-folyamat modellek nem tudják teljes pontossággal reprodukálni ezen izotópok naprendszerben mért előfordulási gyakoriságát. A nagyléptékű reakcióhálózat számításokhoz a reakciósebességeket statisztikus modell számításokkal határozzák meg. Ezen számítások egyik alapvető paramétere a nehezebb magok (A>140) tartományában az alfa-atommag optikai potenciál. Az irodalomban több ilyen potenciál is rendelkezésre áll, de a belőlük számolt reakciósebességek között akár nagyságrendi eltérések is lehetnek.

 Kísérletünk célja, hogy alfa részecskék által keltett magreakciókat tanulmányozunk arany céltárgyon, hogy ezzel megkötéseket adjunk a megfelelő alfa-atommag optikai potenciálra. Habár a ¹⁹⁷Au nem p-mag, csak egy tömegszámmal nehezebb a legnehezebb p-magnál, így is segít a tömegtartománybeli potenciál paraméterek vizsgálatában.

A kísérletekben az aktivációs technikát alkalmaztuk. Az (α,n) és (α,2n) reakciók hatáskeresztmetszetét gamma-sugárzás detektálásával, míg a sugárzásos befogás hatáskeresztmetszetét röntgen-sugárzás detektálása révén valósítottuk meg. Mivel utóbbi nem tesz különbéget azonos elem különböző izotópjai között, a reakciókban keletkezett izotópok elválasztása okozott kihívást. A korábbi hasonló vizsgálatainkban elég volt megfelelő ideig várni, míg a zavaró aktivitás kibomlott a mintából, és csak a számunkra érdekes izotóp járult hozzá a röntgen hozamhoz. A jelen esetben ez nem volt járható út, a keletkezett izotópok felezési idő különbsége nem volt elég nagy ehhez. Helyette nagy pontossággal megmértük az (α,n) és (α,2n) reakciókban keletkezett izotópok esetében a röntgen és gamma hozamok arányát. Ezután a gamma detektálás alapján az ismert felezési idők segítségével pontos becslést tudtunk adni, mekkora a zavaró aktivitás hozzájárulása a röntgen hozamhoz, majd levonhattuk a mért értékekből.

Az új adatsor a meglévő irodalmi hatáskeresztmetszet adatokkal jó egyezést mutatott, de sokkal pontosabb és sokkal alacsonyabb energiákig mértünk, mint korábban bárki. A korábbi munkáknál két nagyságrenddel kisebb reakció hatáskeresztmetszetet is sikeresen mértünk, így minden eddiginél alacsonyabb energián is szolgáltattunk kísérleti adatokat. Az új precíz adatsor lehetővé tette, hogy megtaláljuk a legjobban illeszkedő alfa-atommag optikai potenciált és minden eddiginél pontosabb becslést adjunk az asztrofizikailag releváns energiatartományban.

Az új precíz eredményeknek és a cikk felépítésének köszönhetően az újság kiemelten kezelte a publikációnkat, „Editors’ Suggestion”-ként jelent meg.

A magfizika egyik alapvető modellje, a héjmodell szerint az atommagban a protonok és a neutronok  az atomi elektronokhoz hasonlóan különböző energiaszintekkel rendelkező pályákon találhatók. A pályák héjakat alkotnak, a hozzájuk tartozó energiaszintek pedig csoportokat, amelyeket nagyobb energiaközök választanak el egymástól. Ilyen nagy energiaközök vagyis héjzáródások fordulnak elő a mágikus 2, 8, 20, 28, 50 és 82 proton- illetve neutronszámánál a stabilitási sáv környékén. Az egyszeresen zárt héjú, vagyis egyszeresen mágikus atommagokban egy proton- vagy egy neutronhéj van teljesen betöltve. A duplán zárt héjú, kétszeresen mágikus atommagokban mind a proton-, mind a neutronhéj zárt. A mágikus atommagokban a zárt héjakban a pályák majdnem teljesen be vannak töltve neutronokkal, illetve protonokkal, viszont a zárt héjak felett a pályák szinte teljesen üresek.

A Z=20 mágikus protonszámú kalcium izotópsor két stabil izotópja is kétszer mágikus, a Z=20-as zárt protonhéj mellett a ⁴⁰Ca atommagban az N=20-as, míg a ⁴⁸Ca atommagban az N=28-as neutronhéj zárt. Néhány éve az extrém neutron/proton arányú, a 20 proton mellett 32 neutronnal rendelkező ⁵²Ca-ról mutatták ki, hogy ebben az atommagban nagy energiaköz jön létre az N=32-es neutronhéj felett, így ez a neutronszám is mágikussá válik Z=20-nál. A legutóbbi héjmodell számolások azt jósolták, hogy csak 2 neutronnal kell tovább távolodni a stabilitási sávtól és újra nagyobb energiaköz alakul ki két pálya között, tehát újabb mágikus szám alakul ki N=34-nél a ⁵⁴Ca atommagban. Az első kísérleti eredmények alátámasztották ezt az elképzelést, de nem adtak egyértelmű információt az N=34-es neutronhéj betöltődésének mértékére.

Az Atommagkutató Intézet Magfizikai Laboratóriumának kutatói már évtizedek óta kutatják a neutrontöbbletes atommagokat radioaktív ionnyalábos kísérletekben. Egy nemrégiben, nemzetközi kollaborációban végrehajtott mérésben további bizonyítékokat találtak az N=34-es neutron héjzáródás létére. A japán Radioaktív Izotóp Nyaláb Gyárban, RIKEN-ben végzett kísérletben a ⁵⁴Ca atommagból történő 1 neutron kilökési reakciót vizsgálták gamma-spektroszkópiai eszközökkel. Kihasználva az alkalmazott reakció szelektív jellegét meghatározták, hogy a ⁵⁴Ca atommag alapállapotában milyen pályákon tartózkodnak a neutronok. Azt találták, hogy ebben az atommagban az N=34-es energiaköz alatti pályák hibán belül teljesen be vannak töltve, míg az N=34-es energiaköz feletti pálya szinte teljesen üres, vagyis zárttá válik az N=34-es neutronhéj. Ez direkt kísérleti bizonyítékot szolgáltat az N=34-es neutronszám mágikusságára a Z=20 protonszámnál.

A cikk témája a Wigner által 1948-ban felismert küszöbtörvényekhez kapcsolódik.  Ezek a törvények azt mondják ki, hogy a mikrorészecskék szóródása a különböző reakciók energiaküszöbének közelében csak a részecskék közötti kölcsönhatás típusától (vonzó vagy taszító, rövid vagy hosszú hatótávolságú) függ, de érzéketlen a kölcsönhatás részleteire. Ez utóbbi tulajdonság azzal magyarázható, hogy az energiaküszöb közelében a reakciótermékek nagyon kis sebességűek, azaz a de Broglie hullámhosszuk nagyon nagy. Következésképpen a kölcsönhatásnak a de Broglie hullámhossznál kisebb távolságokkal jellemezhető részletei a szórási képben nem jelennek meg. A Wigner-féle küszöbtörvények fentiekből fakadó nagy univerzalitása széleskörű kutatásokat motivált a fizika különböző területein. Az atomfizikai alkalmazás Wannier nevéhez fűződik, aki 1953-ban klasszikusan megmutatta, hogy az atomok elektronokkal kiváltott egyszeres ionizációjának a hatáskeresztmetszete a küszöbhöz közel azonos módon függ az energiától: az energiafüggés egy hatványfüggvény, amelynek kitevője 1.127 minden atomra.

A Wannier által tekintett folyamatban a végállapot egy pozitív töltésű atomtörzsből és két, nagyon kis energiájú elektronból áll. Már korábban is felvetettük [Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 133201], hogy ez az ú.n. Wannier-állapot ion-atom ütközésekben is kialakulhat. Azzal az esettel, amikor egy ion terében egyetlen nagyon kis energiájú elektron van, az Atomkiben úgy kísérletileg, mint elméletileg hosszú ideje foglalkozunk. Ilyen állapot atomi ütközésekben alapvetően kétféleképpen jöhet létre. Egyrészt nagyenergiájú ionnal bombázva atomokat, az ion terébe egy speciális elektronbefogási folyamat (“electron capture into the continuum”, ECC) révén nagyon kis energiájú elektron kerülhet. Másrészt, ha az ionnak elektronjai vannak, azok az ütközés hatására nagyon kis energiával leválhatnak. Ez utóbbi elektronvesztési  (“electron loss into the continuum”, ELC) folyamat néven ismert. Mindkét folyamatban az elektron a lövedékhez képest kis sebességű, azaz a laboratóriumi vonatkoztatási rendszerben az elektron sebessége közel megegyezik a lövedék sebességével. Amennyiben a lövedék és az elektron közötti kölcsönhatás vonzó és hosszú hatótávolságú, az elektronok laboratóriumi energiaspektrumában egy jellegzetes éles csúcs (“cusp”) jelenik meg az egyező sebességeknek megfelelő energiánál.

Az  ion-atom ütközésekben a Wannier-állapot populációját indikáló ú.n. kételektronos cusp létezését a fent említett munkánkban kísérletileg kimutattuk. Akkor a két elektron 100 keV He⁰ + He ütközésben a lövedék és a céltárgy kölcsönös ionizációjából, azaz az ELC és ECC folyamatból származó elektron volt.  Ezzel a kétcentrumú emisszióval szemben a mostani kísérletben a két elektron 300 keV He^- + He ütközésben a lövedék ion kétszeres elektronvesztési folyamatából (double ELC, DELC) származott, azaz az emisszió egycentrumú volt.

A kísérletet az Atomki 1 MV-os Van de Graaff gyorsítójánál végeztük. A DELC folyamatot a két elektron és a kimenő, töltésállapot szerint szelektált He⁺ ion közötti hármas koincidencia események detektálásával azonosítottuk.  Az elektronok energiaspektrumát repülési-idő spektrométerrel mértük. A mérési eredmények ebben az ütközésben is mutatják a kételektronos cusp létezését. Az elektronok energiája között kapott korreláció elméleti értelmezésére kétféle elméleti számítást végeztünk. Egyrészt a két elektron korrelált mozgását a Wannier-elmélet alapján feltételezve végeztünk egy szimulációt, másrészt az energia korrelációt a klasszikus pályák számításán alapuló Monte Carlo módszerrel is meghatároztuk.  Jelentős eltéréseket tapasztaltunk a mért és számított korrelációs eloszlási képek között. Az eltérések egy lehetséges magyarázataként a He^- magasan fekvő, háromszorosan gerjesztett állapotának a kialakulását, valamint az abból történő kételektronos Auger-emissziót tételeztük fel.

A testünket és környezetünket felépítő molekulák könnyen sérülnek, ha sugárzás éri őket. A víz teszi ki az élő szervezetek nagy részét, valamint nagy mennyiségben található meg egyes bolygók és üstökösök légkörében. A különböző ionokkal történő ütközések során a vízmolekulák elveszíthetik elektronjaik egy részét, ami általában a molekula szétesésével jár. Egy másik folyamatban az ionok maguk ütnek ki atomokat a molekulákból direkt ütközések révén. A molekulatöredékek többnyire pozitív töltésűek. Ezek vizsgálata számos sugárterápiás és asztrofizikai alkalmazáshoz nélkülözhetetlen, jelenleg is aktív kutatási terület. Néhány éve figyeltük meg, hogy direkt ütközések során negatív töltésű molekulatöredékek is keletkeznek főként H- anionok. A mennyiségük jóval kevesebb, mint a pozitív töltésű H+ kationoké, de az anionok nagy reakcióképessége miatt ezek jelentősége sem elhanyagolható. A kísérletek során azt tapasztaltuk, hogy az anion/kation arány a megfigyelési szögtől függetlenül állandó. A jelen munkánkban azt vizsgáltuk, hogy igaz-e ez a lágy ütközések során is, amikor a lövedékion csak elektronokat vesz el vagy üt ki a molekulából. Meglepő tapasztalat volt, hogy az arányosság fennáll, vagyis, hogy az ellentétes töltésállapú molekulatöredékek energia és szögeloszlása hasonló képet mutatott. Lágy ütközések után, általában, a magára hagyott többszörösen ionizált molekulaionban több pozitív centrum alakul ki, majd az ezek között fellépő elektromos taszítás okozza a molekula szétesését. Meglepő, hogy ilyen módon negatív töltésű töredékek is keletkeznek, amelyeknek az eloszlása is hasonló. Ez azt jelzi, hogy az egyszeresen töltött lassú ionlövedékek esetén, mint amilyen a kísérletünkben volt, a kép árnyaltabb. A kapott eredményeket különböző elméleti modellekkel értelmeztük, amelyek eredménye jól egyezett a tapasztaltakkal. Klasszikus 4-test számítást végezve írtuk le az atomi centrumok mozgását. A molekulatöredékek eloszlására abban az esetben kaptunk jó eredményeket, ha feltételeztük, hogy egy bizonyos eloszlással rendelkezésre áll egy többlet-energia, ami a molekulák felbomlását okozza. Ez az energia a molekula lövedék általi gerjesztéséből származhat. Egy másik modellünkben feltételeztük, hogy a molekula energiaszintjeinek betöltöttége hőmérsékleti eloszlást követ az ütközés során. Ez a megközelítés is jó eredményeket ad a molekulatöredékek eloszlására, és a lejátszódó fizikai folyamatokat is sikerült azonosítani. A modell szerint a lövedék csak akkor tudja a molekulát effektíve széttörni, ha azt nagyon megközelíti. A lövedék így nagy hatással van a kirepülő töredékek eloszlására, ami miatt a kationok energiaeloszlása elmosódott, egyenletes képet mutat (ellentétben a nagytöltésű vagy nagyenergiájú lövedékionok esetében tapasztaltakkal). Ez azt is érthetővé teszi, hogy miért hasonló az anionok és kationok eloszlása.

A modern fizika alappillérei közül viszonylag közismert a kvantumelmélet és az Einstein-féle speciális relativitás. Az alappillérek közé tartozik a fázisátalakulások elmélete is, ami talán kevésbé tűnik meghatározó jeneltőségűnek hiszen egyszerűbb rendszerek esetében már elemi tanulmányaink során talalkozunk vele. Ilyen például a víz forrása, fagyása. Mégis alapvető fontosságú mert alig lehet olyan fizikai kutatási területet említeni ahol ne jelenne meg valamilyen fázisátalakulás; a Világegyetem is fázisátalakulások során nyerte el ma ismert alakját, vagy a nemrég felfedezett Higgs részecske is fázisátalakulás során ad tömeget elemi részecskéknek.

A fázisokat illetve a fázisok közti átmenetet két dolog határozza meg: a rendszer dimenziója, amely lehet többek között térbeli vagy síkbeli, valamint a rendszer szimmetriái. Szimmetriak alatt itt azt értjuk, hogy a rendszer vátozatlan marad valamely transzformáció hatására. Azonban lehetnek nem egyértelmű helyzetek, ilyen például amikor valamilyen módon összecsatolunk két síkbeli rendszert. Tekinthetünk erre úgy mint egy lényegében két dimenziós esetre vagy ha egy három dimenziós rendszer síkokra bontásából indulunk ki akkor egy nagyon leegyszerüsített három dimenziós modellre.  

Jelen munkában azt a kérdést vizsgáltuk meg, hogy mi lesz a fázisszerkezete két csatolt úgynevezett XY—azaz két dimenziós—spin modellnek, amelyet mágneses anyagok illetve szupravezető rendszerek fizikájának leírására használunk. A kérdés megválaszolására egyaránt használtunk analitikus és numerikus elméleti módszereket. Azt kaptuk, hogy az egyetlen síkot tartalmazó esetre, azaz az XY modellre jellemző fázisszerkezet mellett megjelenik egy új, eddig nem tanulmányozott fázis, ami tekinthető egy újfajta mágneses rendezettségnek és egyértelmű jele annak, hogy nem tiszta két dimenziós esetet vizsgáltunk. Ennek kísérleti ellenőrzése, vizsgálata illetve lehetséges gyakorlati alkalmazások felderítése a következő lépés, ami folyamatban van.