Megérthető-elérhető fizika


                                                                          VAÚ: Világ és az Atomki Újdonságai

Havonta jelentkező rovatunk segítségével betekintést nyerhet az Atomki és vele kollaborációban dolgozó kutatócsoportok adott hónapban elért legjelesebb eredményeibe. A közérthető, ismeretterjesztő szinten megírt szövegek biztos kézzel vezetik be akár az adott tudományterületen járatlan olvasót is a világ és az Atomki újdonságaiba.

2014
2014. január 2014. február 2014. március 2014. április
2014. május 2014. június 2014. július 2014. augusztus
2014. szeptember 2014. október 2014. november 2014. december

2013
2013. január 2013. február 2013. március 2013. április
2013. május 2013. június 2013. július 2013. augusztus
2013. szeptember 2013. október 2013. november 2013. december

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------


2014. december

A Peres-sejtés megcáfolása: Bell-nemlokalitás kinyerése nem-desztillálható összefonódottságból


Disproving the Peres conjecture by showing Bell nonlocality from bound entanglement
Nature Communications 5 (2014) 5297

Szerzők: Vértesi Tamás és Brunner Nicolas

    A világ megismerésének folyamata igen összetett. Gyakran (sokféle) bátorság kell hozzá, van, hogy szinte kitapinthatóan, vagy akár felfoghatatlannak tűnő összefüggések feltételezése és tanulmányozása értelmében. Napjainkban kevesek számára tűnik kézzelfoghatónak az a bátor gondolat, hogy a világban egymástól nagyon távol lévő, elemi tárgyak, mondjuk elemi részecskék egymással valamiféle, időtől független kapcsolatban vannak és úgy is tudnak hatni egymásra.
    Ilyen izgalmas kérdéskörben felvetett problémával foglalkozik az alább ismertetendő közlemény is.
    A kvantuminformatika egyik legfontosabb erőforrása az összefonódottság: két mikroszkópikus részecske (például fotonpár), bármilyen távol is van egymástól, fizikai állapotuk össze van kapcsolva. Az egyik részecskén történt mérést vagy zavarást azonnal érzékeli a másik részecske is. Ezen jelenség a mikroszkópikus világ különös sajátsága, felfedezésében meghatározó szerepet játszott például Einstein és Schrödinger is. A kvantuminformatika fő célja az összefonódottság minél jobb kiaknázása.
    A kvantumteleportációs eljárás is összefonódott kvantumállapotok meglétén alapszik. Segítségével egy foton kvantumállapotát tetszőleges helyre teleportálhatjuk anélkül, hogy a foton a két hely között bárhol is megjelenne. Köznapi hasonlattal élve, képzeljünk el két "kvantum" faxgépet a világ két pontján, az egyiket Alaszkán, másikat Budapesten. Ha Alaszkán Alíz preparál egy fotont, tárcsázza Bob számát és megnyomja az "elküld" gombot a faxgépén, egy pontosan ugyanilyen tulajdonságú foton fog kijönni Bob faxgépéből Budapesten. A hagyományos faxgéptől eltérően viszont a két hely között fizikailag sehol sem jelenik meg az elküldött foton állapota, így nem is tudjuk útközben elcsípni Alíz fotonjának állapotát. Ezt a rejtélyes jelenséget hívjuk kvantumteleportációnak, ami csakis akkor mehet végbe, ha Alíz és Bob a "kvantum" faxgépükön kívül még egy összefonódott részecskepárral is rendelkeznek.
    Az összefonódottság viszont nincs mindig tiszta formában jelen a természetben. Ugyanakkor modern kvantumoptikai módszerekkel lehetőség nyílik arra, hogy több, kevéssé összefont fotonpárból létrehozzunk egy tökéletesen összefont fotonpárt. Ezen kvantuminformatikai eljárást az "összefonódottság desztillációjának" hívják.
    Azonban létezik az összefonódottságnak egy olyan formája is, ami desztillációs eljárással nem nyerhető ki, így mintegy láthatatlan formában jelentkezik a természetben. Asher Peres, aki a kvantuminformatika úttörője és egyike a kvantumteleportáció felfedezőinek, még 1999-ben azt a jóslatot tette, hogy ez a fajta láthatatlan összefonódottság, bár egy izgalmas konstrukció, alkalmazás szempontjából mégis teljesen haszontalan: nem képes arra, hogy a klasszikus világban előállítható kapcsolatoknál erősebbet, úgynevezett nemlokális korrelációkat hozzunk létre vele. Ilyen nagyon gyengén összefont állapotokkal például a fentebb leírt kvantumteleportációs eljárás sem működhet.
    Asher Peres ezen híres sejtését azóta számos tanulmány támasztotta alá, de csak részeredmények születtek, a sejtést bizonyítani nem tudták. Kiemelt cikkünkben ezért is volt váratlan a  közölt eredmény: sikerült a sejtésre egy konkrét ellenpéldát találni. Nevezetesen, egy olyan láthatatlan, nem-desztillálható állapotot konstruáltak az Atomki és a Genfi Egyetem kutatói, amely képes a klasszikus fizika által megengedett (úgynevezett lokális) hatásoknál erősebb (úgynevezett nemlokális) hatást előidézni. Ezen nemlokális hatást John Stuart Bell kvantumfizikus egyenlőtlenségének sérülése révén sikerült kimutatniuk. Bár Peres sejtésének megcáfolása elméleti jelentőségű, izgalmas kihívást jelent a jövőben kvantumoptikai módszerekkel történő megvalósítása is.


2014. november


Anionok és kationok keletkezése kétcentrum-folyamatokban OH+ + Ar ütközésekben: A szétbomláshoz vezető gerjesztődések szerepe és statisztikai tulajdonságok

Formation of anions and cations via a binary-encounter process in OH+ + Ar collisions:
The role of dissociative excitation and statistical aspects


Szerzők: Lattouf E., Juhász Z., Chesnel J.-Y., Kovács S. T. S., Bene E., Herczku P., Huber B. A., Méry A., Poully J. C., Rangama J., Sulik B.

A természet megismerése során finomabbnál finomabb részletekre derül fény. Egyik információ kerül a másik mellé, melyek egyre pontosabb képet formálnak a megismerni kívánt folyamat(ok)ról. A közelmúltban ilyen (asztrofizikai és élettudományi vonatkozású) részletekről számoltak be az ATOMKI atomfizika területén dolgozó kutatói és külföldi kollégáik.
    Negatív töltésű H- ionok (hidrogén anionok) keletkezését figyelték meg speciális körülmények között. Pozitív töltésű OH+ kationokat ütköztettek a céltárgy-atommal és az ütközés hatására a kationból kiszakadt hidrogén ionokat vizsgálták. Azt találták, hogy a keletkezett H- ionok intenzitásának térbeli eloszlása arányos a céltárgy-atomon szóródott (töltés nélküli) H atomok elméleti úton meghatározott szögeloszlásával. Felmerült a kérdés, hogy teljesül-e ez az ütközés által leszakított H+ ionokra is. Ezért mind a negatív, mind a pozitív ionok keletkezéséhez vezető molekula-szétesési folyamatokat tanulmányozták:  7 keV energiájú OH+ ion-nyalábot ütköztettek argon céltárgy-atomokkal. Kiderült, hogy a negatív és pozitív ionok szög- és (ezen felül) energiaeloszálsa is nagyon hasonló. Ezek a megfigyelések azt sugallják, hogy a kiszakadt (OH+ ionbeli) H-centrum végleges töltéseloszlása egyszerű statisztikai törvényekkel leírható, függetlenül attól, milyen közel kerültek egymáshoz az ütköző atomi centrumok.
    A méréseket kis szórási szögekre (3°-30°) is kiterjesztették. Ez a tartomány (a lágy ütközések tartománya) azért nagyon érdekes, mert a centrumok nem kerülnek egymáshoz nagyon közel és a H-centrumnak átadott kinetikus energia nem feltétlenül elég ahhoz, hogy kiszakadjon a molekulából. Ezért itt azt várhatnánk, hogy az ütközésben nem keletkezik H- ion. Ennek ellenére nagy H- ion hozamokat mértek ebben a tartományban is. Ez csak úgy lehetséges, ha az OH+ molekula ion olyan (forgási, rezgési) állapotba gerjesztődik az ütközés kezdetén, amelyben a molekulakötés gyenge vagy az állapot önmagától szétbomlik. Az utóbbi eset ellenőrizhető. Ha egy ilyen gerjesztett molekula önmagától szétesik, az energiafelszabadulással jár együtt, ami megnöveli a töredékek energiáját. A kísérletek valóban azt mutatták, hogy a vártnál kissé nagyobb a H- és H+ ionok energiája ebben a tartományban.
    Összefoglalva, egy olyan váratlan folyamat részleteire derült fény, amelynek elméleti leírása kihívást jelent. Ez a folyamat mindenütt érdekes, ahol hidrogént tartalmazó molekulák vagy ionok ütköznek, mert a kísérletek szerint a folyamat az összes ilyen ütközési rendszernél lejátszódik. Az ütközésekben termelt nagy reakcióképességű H- és H+ ionok kémiai változásokat idéznek elő a környezetükben, amelyek asztrofizikai és élettudományi folyamatokban játszhatnak jelentős szerepet.



2014. október


A bal-jobb aszimmetria kísérleti vizsgálata foton-atom kölcsönhatás esetében

Experimental investigation of left-right asymmetry in photon-atom interaction


Szerzők: Ricz S., Buhr T., Kövér Á., Holste K., Borovik A., Schippers S., Varga D. és Müller A.

    Világosban látunk, sötétben nem. A környezetünk objektumai által kibocsátott vagy visszavert fény jut el a szemünkbe, azt észleljük, s ekkor látunk. Hogyan megy végbe a fényvisszaverődés? Milyen fizikai folyamatok jellemzik a fény és az útjába kerülő (atomokból felépült) tárgyak kölcsönhatását? Ismerjük-e teljességében ezeket a folyamatokat? Az emberi érzékelés egyik alappillére a látás, biológiai értelemben már több százezer éves. Ennek ellenére találunk még nyitott kérdést mikor arra keressük a választ, hogy hogyan is hat kölcsön a fény az anyaggal. Erre mutattak rá kiemelt cikkünkben az Atomki kutatói és nemzetközi együttműködői.
    15 éve a fotoelektronok intenzitásának szögeloszlását tanulmányozzuk annak érdekében, hogy a foton-atom kölcsönhatásokat jobban megismerhessük. A folyamatot jól jellemző ún. kétszeresen differenciális (energia és a kibocsátási szög szerinti) hatáskeresztmetszeteket (angol rövidítése DDCS) mérünk, melyek különösen érzékenyek a fotonok befogását követő, elektron-kilökéssel járó (ionizációs) kölcsönhatásokra. A megfigyelt szögeloszlások alakja általában nem izotróp. Az alakot több paraméter határozza meg, amelyek függenek a beérkező foton energiájától is. A paraméterek számából, azok energiafüggéséből egyértelműen lehet következtetni a fontosabb kölcsönhatásokra, az ún. dipól, nem-dipól valamint az ionizációs, gerjesztési folyamatok szerepére. Az ismert elméleti modellek azonos hatáskeresztmetszetet jósolnak a ψ=0°180° polárszög-tartományra (a ψ polárszöget a foton impulzusvektorához viszonyítva mérjük), ami a tértükrözéssel szembeni invariancia következménye (más szóval paritás-megmaradás).
    Kísérleteinkben lineárisan polarizált szinkrotronsugárzással (az elektromágneses hullám rezgése síkban történik) kiváltott egyszeres ionizációs folyamatokat vizsgáltunk. Nemesgáz atomokat sugároztunk be, a kilökött elektronokat nagy energia- és szög-feloldású fotoelektron spektroszkópiás módszerrel észleltük. Méréseinket a beérkező foton polarizációs és impulzus vektorai által kifeszített síkban végeztük: az általunk kifejlesztett és megépített ESA-22 elektronspektrométer egyidejűleg analizálta a céltárgyból kilépő elektronok energia- és szögeloszlását 20 (ESA-22L) illetve 22 (ESA-22G) különböző szögértéknél. Vizsgálatainkhoz két szinkrotronon fénynyalábját használtuk fel (Lund, Svédország és Hamburg, Németország) valamint két elektronspektrométert is alkalmaztunk. Referenciaként argon atomokat is besugároztunk és a belőlük nyert, ún. Auger-elektronok segítségével a mérő berendezésekhez köthető hibaforrások legtöbbjét megszüntettük. A (0°,180°)-os és a (0°,-180°)-os szögtartományra külön-külön meghatároztuk a  bal- [L (0°,-180°)] ill. jobb- [R =(0°,180°)] oldali hatáskeresztmetszeteket, valamint az ezekből következőképpen definiált aszimmetria paramétert: ALR=[L-R]/[L+R]. Szimmetrikus esetben a paraméter értéke nulla.
    A méréseink szerint a fotoelektronok kétszeresen differenciális hatáskeresztmetszete több esetben is eltér a szimmetrikustól: hol balra (0° ̶ -180°-os szögtartomány), hol pedig jobbra (0° ̶ +180°) nagyobb. Részletes hibaanalízis után módszeres vizsgálatokat végeztünk az aszimmetrikus fotoelektron emisszió létezésének igazolására, tulajdonságainak meghatározására.
    He, Ne, Ar és Xe atomok külső s-héjaira nullától nagyobb és egymással jól egyező  aszimmetria paramétereket mértünk . Hasonló méréseket végeztünk Ne, Ar, Kr és Xe atomok külső p-héjaira, ahol az aszimmetria paraméterek értéke szintén eltért nullától viszont előjele negatív volt. Az elmúlt évek során széles fotonenergia tartományban (100-460 eV), több atomi héjra végeztünk méréseket, így a kiterjedt adatbázisunk segítségével az ALR paraméterek fotoelektron energia függésének meghatározása is lehetővé vált. Az aszimmetria paraméterek egy oszcilláló függvény mentén helyezkednek el. Eloszlásuk a becsült nagy hibák ellenére sem tekinthető egy nulla körüli véletlen eloszlásnak, holott az ismert elméleti modellekből ez következne.
    A nullától különböző aszimmetria paraméterek a foton-atom kölcsönhatást leíró elméletek módosítását, kiegészítését szorgalmazzák. Ez kétféleképpen lehetséges: (1)  egy ismeretlen (vektor vagy pszeudo vektor típusú) kölcsönhatási potenciál bevezetése a fotoionizációs, gerjesztési folyamtokba (2) a tértükrözéssel szembeni invariancia sérülésének feltételezése elektromágneses kölcsönhatásban. Jelenleg egyik lehetőségre sincs elméleti magyarázat, ami további kutatásokat tesz szükségessé.


2014. szeptember
Ugyanazon konfigurációra épülő többszörös kiralitás a 103Rh atommagban

Multiple chiral doublet bands of identical configuration in 103Rh
Szerzők: Kuti I., Chen Q. B., Timár J., Sohler S., Zhang S. Q., Zhang Z. H., Zhao P. W., Meng J., Starosta K., Koike T., Paul E. S., Fossan D. B. és Vaman C.

    A szimmetriák fontos szerepet játszanak a fizikában a jelenségek megértésében és azok matematikai leírásában. Azonban nem csak a szimmetriák érdekesek, hanem ezek sérülései, az úgynevezett spontán szimmetriasértések is, amikor egy szimmetrikus törvényekkel leírható rendszer nem szimmetrikus állapotba kerül. Talán a legismertebb példa erre a ferromágnesség. A ferromágneses anyagban a mágneses részecskék mágneses momentumai az úgynevezett Curie-pont feletti hőmérsékleten rendezetlenül, véletlenszerű irányokban állnak. Ha viszont az anyagot a Curie-pont alatti hőmérsékletre hűtjük, akkor az összes részecske mágneses momentuma beáll egy meghatározott irányba. Spontán szimmetriasértéssel a fizika szinte valamennyi ágában találkozhatunk. Fontosságát mutatja, hogy az elmúlt tíz évben két fizikai Nobel díj is kapcsolódik hozzá, a 2008-ban és a 2013-ban átadottak.
    Az atommagokban szintén megtalálhatjuk a spontán szimmetriasértést. Például a megnyúlt, vagy belapult alakú atommagok sértik a gömbszimmetriát, a háromtengelyűen deformált atommagok pedig már a tengelyes szimmetriát is. Egy napjainkban kutatott formája az atommagok spontán szimmetriasértésének a királis szimmetria spontán sérülése. Királisan szimmetrikus egy objektum, ha fedésbe hozható a tükörképével. Ilyen például egy téglatest, vagy egy forgási ellipszoid. Királisnak nevezzük azt az objektumot, amely nem királisan szimmetrikus, tehát nem hozható fedésbe a tükörképével. Ilyen például a kezünk (az elnevezés is innen eredeztethető, a görög chéir szó magyarul kezet jelent). Az egyik kezünk jó közelítéssel a másiknak a tükörképe, de nem hozhatók fedésbe egymással. Vagy például ilyen három különböző egymásra merőleges vektor, amelyek jobb- illetve balsodrású elrendezést mutathatnak.
    Az utóbbi évtized magszerkezet kutatása egyre több bizonyítékot talál arra, hogy bizonyos atommagoknak királis állapotai lehetnek. Az atommagban a nukleonok az atomi elektronhéjakhoz alapvetően hasonló héjszerkezetbe rendeződnek. Azonban ellentétben az elektronokkal a nukleonok erősen vonzzák egymást, ezért az atommag alapállapotában és kis energiás gerjesztett állapotaiban nulla perdületű párokká igyekeznek összeállni. A királis állapotok olyan atommagokban állnak elő, amelyeknek az alakja háromtengelyű ellipszoiddal közelíthető (amit az atommag törzsének tekinthetünk), a körülötte lévő, ún. “vegyértéknukleonjai” közül van legalább kettő, amelyik nincs másik nukleonnal párba rendeződve,ezek nagy perdületű pályákon mozognak úgy, hogy perdületeik iránya egymásra közel merőleges. Ebben az esetben, ha a magtörzs forog és a perdület-vektora közel merőleges a két nukleon perdülete által meghatározott síkra, akkor három egymásra merőleges vektort kapunk. Ezek kétféleképpen, jobb- illetve balsodrású rendszerben rendeződhetnek el, amelyek egymás tükörképei de nem hozhatók fedésbe egymással. Az atommag ilyen állapota tehát királis. Az ilyen állapotok kísérletileg mérhető tulajdonságai újabb lehetőséget adnak magmodelljeink tesztelésére és pontosítására.
    Napjainkra számos atommag esetén mutatták ki a királis állapotok megjelenését. Azonban egy atommagban csak egy meghatározott nukleonpálya-konfiguráció (ami a párosítatlan nukleonok egy meghatározott elrendeződése a lehetséges pályákon) mutatott királis viselkedést. Például a 100 körüli tömegszámú, egy páratlan protont és egy páratlan neutront is tartalmazó atommagokban az, amelyikben a proton g9/2 pályán (a g alhéjon 9/2 hbar perdülettel) a neutron pedig h11/2 pályán található. A legutóbbi évek elméleti kutatásai valószínűsítették, hogy bizonyos atommagokban több konfigurációhoz is tartozhat királis állapot, illetve azt, hogy egy adott királis konfiguráció gerjesztett állapota (amelyben az impulzusvektorok iránya az alapállapothoz képest különböző) is lehet királis. Az első esetnek megfelelő “többszörös kiralitást” 2013-ban mutatták ki a 133Ce atommagban. A jelen munkában a második esetnek megfelelő “többszörös kiralitást” mutattuk ki. Azt találtuk, hogy a 103Rh atommag azon állapotában, amelyben a páratlan proton g9/2 pályán, egy feltört neutronpárból előálló két párosítatlan neutron pedig a h11/2 és a g7/2 pályákon mozog, mind a konfigurációhoz tartozó legkisebb energiájú (alap) állapot, mind az impulzusmomentumok kis átrendeződésével előálló “gerjesztett” állapot is királis jelleget mutat. Ez azt jelenti, hogy a királis szimmetriasértés megőrződik az adott konfiguráción belüli gerjesztés során is.



2014. augusztus
Nemlokalitás detektálása soktest-kvantumállapotokban

Detecting nonlocality in many-body quantum states


Szerzők: Tura J., Augusiak R., Sainz A. B., Vértesi T., Lewenstein M., Acín A.

Napjaink fizikájának egyik legalapvetőbb kihívását jelentik az egymással kölcsönható, sok-sok részecskéből álló rendszerek, különösen a kvantummechanikai rendszerek megértése. Az Atommagkutató Intézet munkatársa nemzetközi együttműködésben vizsgálta ezt a problémakört és erről a közelmúltban számolt be a nagyhírű Science folyóiratban.
    A modern fizikán belül a kvantummechanika a legsikeresebb tudományos elméletek egyike. Az elmélet egyik alappillére a nemlokalitás fogalmához köthető. Ez azt fejezi ki, hogy a parányi részecskék nagy távolságokban is képesek összehangoltan működni és a klasszikus fizikához képest sokkal erősebb korrelációkat mutatni. Kísérletileg számtalan esetben igazoltak az ú.n. Bell-egyenlőtlenségek sérülése révén. Érdekes és fontos megjegyezni, hogy különleges szerepre számíthat a kvantummechanika ezen nemlokális tulajdonsága, például a kvantumtitkosításban, illetve a jövő kvantumszámítógépeiben.
    A sok részecskéből álló rendszerek összefonódottságának megértésében (például néhány-test kölcsönhatással rendelkező alapállapoti rendszerekben) fontos előrelépések történtek az utóbbi években. Az ilyen rendszereket jellemző sokrészecskés állapotok mutatnak-e nemlokális korrelációkat? Ezt a kérdést alig vizsgálták eddig. Amellett, hogy ezek a  szupererős korrelációk kvantuminformatikai protokollok fontos erőforrásai, elősegíthetik a soktest-rendszerek fizikájának jobb megértését.
  Kísérletileg mostanáig csak néhány részecskéből álló rendszer nemlokalitását tudták megfigyelni (az eddigi rekord 14 ion). Az ennél összetettebb rendszerek nemlokalitása teljesen feltáratlan. Ez részben annak tudható be, hogy a nemlokalitás detektálására szolgáló, ismert módszerek (elsősorban a Bell-egyenlőtlenségeken keresztül) sok részecske közötti egyidejű korrelációkra támaszkodnak, amelyek a jelenlegi kísérleti módszerek képességeit meghaladják.
   Jelen elméleti munkában a kutatók (a legkönnyebben tanulmányozható) kéttest-korrelációkon alapuló sokrészecskés Bell-egyenlőtlenségeket konstruáltak. Kimutatták, hogy ezen korrelációk kísérletileg is hozzáférhetők a teljes spin nagy pontosságú mérése révén. Ehhez ultrahideg atomok, illetve nanostruktúrákba csapdázott atomi rendszerek várhatóan kiválóak lesznek, és utat nyithatnak a sokrészecskés nemlokalitás kísérleti vizsgálata felé. Ez eddig elképzelhetetlen volt.



2014. június
A 33S(α,p)36Cl reakció váratlanul magas hatáskeresztmetszete alacsony energiákon

Unexpected properties of the 33S(α,p)36Cl reaction cross section at low energies

Phys. Rev. C 89 (2014) 058801

Szerző: Mohr P.

    A csillagok fizikája, az asztrofizika területén nemrég közzétett dolgozat világított rá, hogy a kémiai elemek keletkezésére vonatkozó ismereteinket váratlan eredmények teszik próbára.
    A kémiai elemek a csillagok forró belsejében lévő atommagokon végbemenő reakciók során keletkezhetnek a természetben. Ezek a reakciók számos fizikai paraméterrel jellemezhetők, mint például a reakcióban résztvevő atommagok, azok tömege, egymáshoz viszonyított sebessége, egymással történő kölcsönhatásuk valószínűsége, stb. Az ilyen reakciók elméletileg jól modellezhetők, és az eredmények pedig kísérletileg ellenőrizhetők.
 Egyik reakció-modell a statisztikus modell. Említésre méltó, hogy a statisztikusmodell-számítások rendszerint túlbecsülik az alfa-részecskék által kiváltott reakciók hatáskeresztmetszetét alacsony részecske-energián. Ellentétben ezzel az általános tapasztalattal, a Bowers és munkatársai által mért 33S(α,p)36Cl hatáskeresztmetszet viszont jelentősen meghaladja ezeket az elméleti jóslatokat. Ez a váratlan eredmény adja a jelen vizsgálat motivációját. A szokatlan viselkedést a kiemelt cikkünk két módszer segítségével elemezi.
    Elsőként a mért hatáskeresztmetszetet egyrészecske-határértékkel  hasonlítja össze, ami azt mutatja, hogy a 33S(α,p)36Cl reakció hatáskeresztmetszete önmagában is kimeríti az egyrészecske-határértéket. A szintén erős 33S(α,p)36Ar reakciócsatorna figyelembe vételével az alfa-erősség már jelentősen meghaladja az egyrészecske-határértéket.Ez egy igen meglepő eredmény.
  Ezután a mért 33S(α,p)36Cl adatokat összehasonlítja a széles tömegszám és energiatartományban mért teljes hatáskeresztmetszet adatokkal. Az összehasonlításhoz az úgynevezett redukált energia – redukált hatáskeresztmetszet ábrázolást használja, mely egy jellegzetes sima függvény a rendelkezésre álló adatok esetén [2]. Az új 33S(α,p)36Cl adatok fölötte fekszenek ennek a függvénynek és az eltérés természetesen még jelentősebbé válik a 33S(α,p)36Ar reakciócsatorna figyelembe vételével.
  Összefoglalva, az új 33S(α,p)36Cl hatáskeresztmetszet-adatok a várakozásoknál jóval nagyobbak és szokatlan viselkedést mutatnak különböző kritériumok alapján is.
     A cikk megjelenése idején látott napvilágot Almarez-Calderon és munkatársainak közleménye [3], melyben a 23Na(α,p)26Mg reakció mért hatáskeresztmetszetét publikálják. A 33S(α,p)36Cl reakció esetéhez hasonlóan és a várakozásokkal ellentétben a kísérleti hatáskeresztmetszetek jóval felülmúlják a statisztikusmodell-számítások eredményeit. Másrészt viszont a modellek általánosan tapasztalható, túl magas hatáskeresztmetszetét a mérések alacsony tömegszámok felé egészen a 58Ni [4] és 64Zn [5] magokig igazolják. További kísérleti vizsgálatok szükségesek tehát a 20 < A < 50 tömegszámtartományban a fent részletezett szokatlan jelenség tanulmányozására.

[1] M. Bowers et al. Phys. Rev. C 88, 065802 (2013)
[2] P. Mohr et al., At. Data Nucl. Data Tables 99, 651 (2013)
[3] S. Almarez-Calderon et al., Phys. Rev. Lett. 112, 152701 (2014)
[4] S.J. Quinn et al., Phys. Rev. C 89, 054611 (2014)
[5] Gy. Gyürky et al., Phys. Rev. C 86, 041601(R) (2012)


2014. június

Szigorúan véges hatótávolságú magpotenciálok könnyű és nehéz magokra

Strictly finite-range potential for light and heavy nuclei

Physical Review C 89 (2014) 054609 


Szerzők: Salamon P., Lovas R. G., Id. Betan R. M., Vertse T. and Balkay L.

    Sok-sok évezred alatt kialakult szavak tükrözik világunk legapróbb részleteit, így az atomot  is. Ha az atomok részeire és azok viselkedésére vagyunk kíváncsiak, akkor bizony csiszolni kell a nyelvezetünket. A beszélt nyelvektől sokkal általánosabb a matematika nyelve, amely a természet jellemzésére és – a matematika szabályait követve – egyúttal megértésére is a legalkalmasabb. Ez a helyzet a közvetlen emberi megfigyelés és észlelés elől rejtve maradó atomi összetevők megismerésénél is. A matematikai leírás az elméleti fizika alapvető eszköze. Az Atomki elméleti atommagfizikával foglalkozó kutatói, külföldi kollégáikkal együttműködve, tették közzé legújabb eredményeiket, melyekről rövid ismertetést adunk az alábbiakban.
    A szigorúan véges hatótávolságú magpotenciálok azonosan nullává válnak egy adott véges távolságon túl. Néhány ilyen magpotenciálban kiszámoltuk az egyrészecske-állapotok  energiáit és az anyagsűrűséget. Emellett vizsgáltuk, hogy  az S szórásmátrix hol vesz fel végtelen értéket (itt van neki pólusa).
    A  pólusok vándorlása a potenciál erősségének függvényében adja a pólus pályagörbéit. A következő, szigorúan véges hatótávolságú magpotenciálokat vizsgáltuk: a levágott Woods–Saxon potenciált és két olyan magpotenciált, amelyek simán válnak azonosan nullává. Egyiküket Salamon Péter és Vertse Tamás vezette be a Phys. Rev. C 77, 037302 (2008) cikkben. Ez az új SV-potenciál hasonló a Woods–Saxon-potenciálhoz, azonban mindenféle levágás nélkül, simán válik azonosan nullává véges kiterjedésnél.  Basudeb Sahu és Bidhubhusan Sahu ennek egy általánosított változatát mutatták be az Int. J. Mod. Phys. E 21, 1250067 (2012) cikkükben. Egy pótlólagos paramétert vezettek be az SV-potenciálba (így kapták az SS potenciáljukat). Ha ennek a paraméternek az értéke 1, akkor az eredeti SV potenciált kapjuk vissza. E két új potenciálnak a paramétereit úgy határoztuk meg, hogy legjobban hasonlítsanak a Woods–Saxon-potenciálhoz. Az SV- és az SS-potenciálok hatótávolsága a magsugárhoz hasonlóan az atommag tömegszámának köbgyökével arányos. Könnyű atommagoknál a neutron-mag kölcsönhatás leírásához az SV-potenciál első tagja is elegendő. Ebben az esetben a potenciál alakját egyetlen paraméter írja le. Az SV- és az SS-potenciálokbeli pólusok pályagörbéit összehasonlítottuk a levágott Woods–Saxon potenciálbeliekkel nulla pálya-impulzusmomentumra.     A pályagörbék kezdőpontjainak a függését vizsgáltuk a Woods–Saxon-potenciálban a levágási sugártól, az SV- és az SS-potenciálokban pedig a hatótávolságtól. Azt találtuk, hogy a levágott Woods–Saxon-potenciálban bizonyos pályagörbék hurkot írnak le, tehát szabálytalan alakúak, az SV- és az SS-potenciálokban viszont valamennyi pályagörbe szabályosan viselkedik. Az, hogy ezek az eredmények hogyan befolyásolják a mindennapi életünket további vizsgálataink tárgya.

   

2014. május

A 14N(d,pγ)15N és 28Si(d,pγ)29Si magreakciók gamma-keltési hatáskeresztmetszeteinek meghatározása

Measurement of gamma-ray production cross-sections for nuclear reactions 14N(d,pγ)15N and 28Si(d,pγ)29Si


Szerzők: Csedreki L., Uzonyi I., Szikszai Z., Gyürky Gy., Szíki G. Á., Kiss Á. Z.

    Úton-útfélen kezünkbe akadhat egy-egy érdekesebb tárgy, s kíváncsiságunk számos kérdés felvetését ösztönözheti. Vajon milyen kémiai elemek építik fel az adott tárgyat? Milyen annak a szerkezete? Milyenek a fizikai tulajdonságai és a viselkedése? A kémiai elemek kimutatása hogyan történhet? És így tovább. A kérdéscsoport egy részének megválaszolását segíti az a továbbiakban röviden ismertetett módszer, amit az ATOMKI kutatói is alkalmaznak és a legújabb eredményeiket az említett közleményükben ismertették.
    Az eljárás során ionokkal (proton deutérium, stb.) bombázzuk a vizsgálni kívánt mintákat. Kölcsönhatásuk következtében a minta atomjai és atommagjai gerjesztett állapotba kerülnek. A természet viszont törekszik a nyugalmi állapot elérésére: sugárzások révén megszabadul a gerjesztett állapotát jellemző fölös energiától. Ezeket a sugárzásokat észleljük, rendszerezzük, feldolgozzuk majd  mennyiségi és minőségi következtetéseket vonunk le a mintát alkotó atomokra vonatkozóan.
    A részecskenyaláb okozta gamma-emissziós (PIGE) módszer a besugárzás által gerjesztett atommagok legerjesztődésekor kibocsátott, csak rájuk jellemző gamma-sugarak mérésén alapuló, ún. ionnyaláb analitikai (IBA) technika. A módszert gyakran alkalmazzák a különböző anyagok könnyűelem-tartalmának (C, N, O, stb.) mennyiségi meghatározásában.
    Protonnyalábbal végzett besugárzás nyomán viszonylag gyenge intenzitással keletkezik gamma-sugárzás (alacsony a gamma hozam) és emiatt a protonindukált gamma-emisszió (p-PIGE) nem alkalmazható a szén, nitrogén és oxigén tartalom meghatározására a bombázó részecske alacsonyabb energiája esetén.  Ez a probléma nem jelentkezik a deuteron-nyaláb indukálta gamma-emissziós (d-PIGE vagy DIGE) módszer alkalmazásakor. Ismeretlen elem-összetételű anyag esetében a mennyiségi összetétel meghatározásához szükséges az adott elemre vonatkozó gamma-keltési hatáskeresztmetszetek (és itt) pontos ismerete a bombázó részecske energiájának függvényében (ez az ún. gerjesztési függvény).
  A kiemelt cikkünkben ismertetett kutatásaink célja a nitrogéntartalom mennyiségi meghatározásához szükséges vékony céltárgyakra vonatkoztatott d-PIGE hatáskeresztmetszetek származtatása. Ez a munka a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (IAEA) által koordinált kutatási program keretében valósult meg, melynek fő célja egy egységes PIGE hatáskeresztmetszet-adatbázis létrehozása az ionnyaláb analitika részére. A mérésekhez vékony szilícium-nitrid fólia céltárgyakat használtunk. Ez lehetővé tette a nitrogén mellett a szilíciumra vonatkozó gamma-keltési hatáskeresztmetszetek meghatározását is. A mérési eredmények megbízhatóságának növelése és a reakció mechanizmus jobb megértése érdekében a 14N(d,pγ)15N magreakcióból származó, több proton-csoport gerjesztési függvényét is megmértük. Emellett mértük a magreakcióból származó gamma-sugárzás szögfüggését is, melynek anizotrópiája nagyban befolyásolhatja a hatáskeresztmetszetek gyakorlati alkalmazását. 
 Az elvégzett munka legfőbb eredménye a reakciók teljes gamma-keltési hatáskeresztmetszeteinek megadása: 14N(d,pγ4-1)15N, 14N(d,pγ6-1)15N, 14N(d,pγ5-0)15N, 14N(d,pγ7-0)15N,28Si(d,pγ1-0)29Si,28Si(d,pγ2-0)29Si, 28Si(d,pγ3-0)29Si,28Si(d,pγ10-0)29Si. A felsorolt reakciók gamma-szögeloszlásait is mértük: azokat izotróphoz közelinek tekinthetjük. Az egyenletes eloszlástól való kismértékű eltéréseik hatása nem jelentős a mindennapi IBA gyakorlatban, azonban a hatáskeresztmetszetek mennyiségi analízisben való felhasználása során az esetleges anizotrópiát figyelembe kell venni.
    A 14N(d,p4-1)15N reakció (1885 keV gamma) gerjesztési függvényében 1.4 MeV környékén megjelenő, jellegzetes maximum hívta fel a figyelmet a részecske-spektrumok egyidejűleg végzett mérésére. A részecske-spektrumok gyűjtésének eredeti célja a céltárgy atommagok számának meghatározása volt a rugalmasan visszaszórt részecskék alapján. A részecske-detektálás révén a 14N(d,p4)15N, 14N(d,p5)15N, 14N(d,p6)15N, és  14N(d,p7)15N proton-csoportok differenciális részecske-keltési hatáskeresztmetszeteit is megadtuk.
    A meghatározott gamma- és részecske-keltési hatáskeresztmetszetek elérhetők az ionnyaláb analitikát művelő kutatók számára az IBANDL adatbázisban.

2014. április

Univerzalitás és a kvantumszíndinamikai Anderson átmenet

Universality and the QCD Anderson transition



Szerzők: Matteo Giordano, Tamás G. Kovács és Ferenc Pittler

    A kvarkok erősen kölcsönható alapvető részecskék. A neutront és a protont, valamint az összes többi hadront is kvarkok alkotják. Az erősen kölcsönható anyagnak két fázisa ismert: alacsony hőmérsékleten a hadronikus fázis, magas hőmérsékleten pedig a kvark-gluon plazma. Régóta ismert, hogy a hadronikus fázisban a kvark állapotok delokalizáltak a rendszert jellemző korrelációs hosszhoz (lásd még) képest. Nemrégiben felfedeztük, hogy ezzel szemben a kvark-gluon plazmában a legalalacsonyabb energiájú kvark állapotok lokalizálttá válnak, míg a magasabban fekvő állapotok magas hőmérsékleten is delokalizáltak. A kétféle állapotot elválasztó átmenet emlékeztet az úgynevezett Anderson átalakulásra.
    Az Anderson átmenet régóta ismert rendezetlenséget tartalmazó kristályos vezetőkben. Itt a szennyezők hatására a sávszélen lévő állapotok lokalizálódnak, és amannyiben a Fermi szint ebbe a tartományba esik, megszűnik az anyag nulla hőmérsékletű vezetőképessége. Az Anderson átmenet másodrendű fázisátalakulás, így a kritikus pontban  a korrelációs hossz divergál. A kritikus exponens, amely ezt a hatványszerű divergenciát leírja, univerzális, vagyis független a mikroszkopikus kölcsönhatások részleteitől.
    A kvarkbezárás és a kvark állapotok lokalizáltsága között nincs egyszerű kapcsolat. A kvarkbezárás csak azt jelenti, hogy a kvarkok hadronokba vannak bezárva kötött állapotban, de attól még az egész hadron, és azon belül a kvarkok is lehetnek delokalizáltak. Így például a protonba zárt három kvark egyformán delokalizálódik, mondhatni együtt mozog.
    Fizikailag ezt úgy lehetne elképzelni, hogy a vákuumba, egymástól nagy távolságra helyezett kvark és antikvark továbbra is kölcsönhatna egymással a hadronikus fázisban (amennyiben nem lenne közöttük párkeltés). Tehát, egy szál kvark tetszőlegesen nagy távolságban is érzékelhető: ilyen értelemben delokalizált. Magas hőmérsékleten (plazma fázisban) az egyedülálló kvarkot a plazma leárnyékolja, és így nagy távolságban nem érzékelhető: ilyen értelemben lokalizált.
    Jelen munkában megmutattuk, hogy a lokalizált és delokalizált kvark állapotok közötti átmenet szinguláris a termodinamikai határesetben, és a szingularitást leíró kritikus exponens megegyezik a megfelelő Anderson átmenetével. Ebből következik, hogy a kvantum-színdinamikai (QCD-beli) átmenet igazi Anderson átmenet, amelyet az eddig ismert, atomi skálán lejátszódó Anderson átmeneteknél sok nagyságrenddel nagyobb energia, illetve kisebb távolságskála jellemez.
    Eredményünket nagy statisztikájú rács-QCD szimulációk segítségével kaptuk. A kritikus exponenst véges-méret skálázás segítségével határoztuk meg, vagyis azt vizsgáltuk, hogy a rendszer térfogatának növelésével hogyan élesedik az átmenet. Eredményünk pontossága hasonló a megfelelő Anderson modell kritikus exponensének az irodalomban található pontosságához.

2014. március

Coulomb módosított síkhullám: parciális hullámokba való sorfejtés és aszimptotikus alak

Coulomb-distorted plane wave: Partial wave expansion and asymptotic forms

Journal of Mathematical Phisics 54 (2013) 053502

Szerzők: Hornyák István és Kruppa András Tibor 

    A természetről alkotott képünk gyakran modellek, elméletek segítségével fogalmazható meg, melyek szerencsés esetben kísérleti adatokkal illetve megfigyelési eredményekkel is összehasonlíthatók. Az atomok és az annál is kisebb részecskék tanulmányozásának egyik legfontosabb kísérleti módszere a töltött részecskék szórásának vizsgálata.  A modellek tökéletesítése állandó kihívás. Ez mozgatta és mozgatja az Atomki elméleti fizikusait is, akik a következőkben röviden kifejtett munkájukkal továbbfejlesztették a töltött részecskék szórásának elméletét.
    Két- és háromrészecskés szórásra nagyon sok kísérleti adat van. A legtöbb esetben a kezdeti és a végállapotban az ütközések során keletkező „részecskedarabkák”, ún. fragmentumok töltöttek, így az elméleti leírásoknak számolniuk kell a köztük fellépő hosszú hatótávolságú Coulomb erővel. Sajnos sok elméleti és numerikus probléma jelentkezik, amikor töltött részecskék szórását vizsgáljuk. A kísérleti adatok elemzését elősegítené, ha sikerülne a tiszta Coulomb kölcsönhatás járulékát a többi kölcsönhatásétól elkülöníteni.
    Mára a két-test Coulomb szórást szokás úgy tekinteni, mint amit teljesen megértettünk. Azonban már ezen egyszerű esetben is a szokásos alapfogalmakat, amiket a rövid hatótávolságú kölcsönhatások szóráselmélete használ, újra kell definiálni. A két-test Coulomb probléma három dimenzióban analitikusan megoldható. Azonban néhány érdekes, nem szokásos jelenséget már itt is észrevehetünk és ezek vizsgálata célszerűnek látszik. Az egzakt megoldás parciális hullámokba való sorfejtése a szokásos értelemben nem konvergens. A sorfejtés csak disztribúció elméleti értelemben konvergens. Az időfüggő leírást is módosítani kell a Coulomb kölcsönhatás jelenléte esetén. Nagyon fontos feladat e vizsgálatok kiterjesztése többrészecskés szórásra. 
    A szóráselmélet időfüggetlen tárgyalása során a nehézséget az aszimptotikus viselkedés konkrét megadása illetve annak numerikus megvalósítása okozza. Minden olyan módszer, amely ezeket a nehézségeket csökkenti nagy jelentőséggel bír. Egy ilyen eljárás a komplex skálázás. 
    A komplex skálázás lényegében azt jelenti, hogy a részecskék térbeli helyzetét megadó vektorok valós koordinátáit kiterjesztjük a komplex számsíkra és ennek révén a hullámfüggvény jellegzetes, aszimptotikus viselkedése matematikailag könnyebben kezelhető. Az aszimptotikus viselkedés megadása lényegében azt jelenti, hogy az ütközés térbeli tartományát körbe kell venni egy olyan zárt felülettel, ami igen távol van az ütközési tartománytól és meg kell adnunk ezen zárt felületen a rendszert jellemző mennyiségeket. 
    A komplex skálázás előnye, hogy a szórási hullámfüggvény bonyolult, aszimptotikus alakja helyet sokkal egyszerűbb formát használhatunk. Ez igen fontos tulajdonság, hiszen többrészecskés szórás számítások során ez okozza a fő problémát.  Tiszta Coulomb kölcsönhatás esetén a módszer alkalmazásához először meg kell vizsgálni a Coulomb-módosított síkhullám tulajdonságait. A szóráselmélet egy új formalizmusa csak felületi integrálokat alkalmaz, ebben a leírásban is alapvető szerepet játszik a Coulomb módosított síkhullám. Ez a függvény a szórási probléma aszimptotikus alakjában és a hatáskeresztmetszet kifejezésében is szerepel.
    A Coulomb módosított síkhullám  parciális hullámokba való sorfejtését és aszimptotikus viselkedését vizsgálja a kiemelt cikk. Sikerült négy ekvivalens alakot megadni, melyek lehetőséget nyújthatnak a függvény numerikus meghatározására is. A négy ekvivalens alak abban különbözik egymástól, hogy milyen speciális függvények szerepelnek bennük.  Az egyik kifejezésben például az un. nemteljes gamma-függvény szerepel, egy másik alakban pedig a reguláris konfluens hipergeometrikus függvény. További vizsgálatokat igényel, hogy a független változó értékétől függően az abszolút numerikus pontosság szempontjából melyik alak a legkedvezőbb. Az aszimptotikus alakra eddig használt formula két tagot tartalmaz, levezetésekor önkényes elemeket alkalmaztak. Sikerült matematikailag precíz módon levezetni az aszimptotikus alakot. Kiderült, hogy a korábban használt formula egyik tagja hibás. Az új levezetés annak köszönhető, hogy a függvényt ekvivalens analitikus formákba tudtuk felírni. Az aszimptotikus alak pontos ismerete révén egyszerűsíthetők a töltött részecskék szórásának leírására használt határfeltételek. Ezáltal a természet egy jelenségkörének leírására alkalmazott modell alapegyenletének  komplex skálázással történő numerikus megoldását sikerült tökéletesíteni.

2014. február

Elektrogyenge mérések elektron-pozitron ütközésekben a LEP W-bozon-pár energiáinál

Electroweak measurements in electron–positron collisions at W-boson-pair energies at LEP

Physics Reports 532/4 (2013) 119-244

Szerzők: Az ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, LEP Elektrogyenge Munkacsoport együttműködések résztvevői: Schael S., Boldizsár L., Debreczeni G., Nagy S., Raics P., Szillási Z., Tóth J., Tarján P., Vesztergombi G., Dienes B., Csilling Á., Hajdu C., Horváth D., Krasznahorkay A. Jr., Pálinkás J., Pásztor G., Trócsányi Z., Ujvári B., Vértesi R. + 1626 társszerző

    Standard modell  néven ismert a részecskefizika  anyagelmélete, amely a részecskéket és kölcsönhatásaikat szimmetriákkal írja le. Ezt a modellt már a hetvenes évek elején sikerült végső formára hozni. Azonban a fizika kísérleti tudomány és csak olyan elméleteket fogad el, amelyeket a kísérleti adatok számszerűen is igazolnak. A részecskefizikai kísérletek nagy energiájú részecskék ütköztetésével történnek, a lezajló folyamatok valószínűségeit pedig az ütközések hatáskeresztmetszeteivel fejezzük ki.
    A CERN Nagy Elektron-Pozitron ütköztetőjének, a LEP  gyorsítónak fő célja a standard modell részletes ellenőrzése. Ehhez hatáskeresztmetszeteket és más részecskefizikai adatokat (részecsketömegek és élettartamok) kellett mérni, a kapott adatokat pedig összehasonlítani a modell-számítások eredményeivel. A határozatlansági elvből tudjuk, hogy mennél hosszabb ideig él egy részecske, annál pontosabban ismerhető a tömege, azaz annál kisebb a tömegének bizonytalansága, amely a kísérletben a mért tömegeloszlási csúcs szélességeként jelenik meg.
    1996-ban a LEP-ben az elektronok és antirészecskéik, a pozitronok folyamatosan növelt ütközési energiája már elérte a gyenge kölcsönhatást közvetítő nehéz részecskék, a W+ és W- bozonok keltéséhez elegendő értéket (LEP-2) és megnyitotta az utat a W-fizikához. A W-bozon tulajdonságai a legfontosabb részecskefizikai mennyiségek közé tartoznak és rendkívül pontosan meghatározták őket: a tömegre MW=80.376 ± 0.033 GeV/c2 (a proton tömege 0.938 GeV/c2), az élettartamot kifejező bomlási szélességre  pedig ΓW = 2.195 ± 0.083 GeV adódott. Igen nehéz részecske lévén nagyon sokféleképpen elbomolhat és a standard modellel pontosan kiszámíthatók a W-bozon bomlási valószínűségei a különböző végállapotokra. A bomláskor keletkező sokféle új részecske egymással is kölcsönhat. Ezt figyelembe véve ellenőrizték az ilyen végállapotbeli kölcsönhatásokat a két W-bozon bomlási termékei között.
    Az egyik legérdekesebb ilyen kölcsönhatás a szín-visszacsatolás. A W-bomlásnál keletkező kvarkoknak addig kell a színtöltésüket, az erős kölcsönhatás forrását egymással csereberélni, amíg teljesen színtelen végállapotok nem keletkeznek, azaz a háromféle színtöltés egyenletes keveréke vagy szín + antiszín (azaz antirészecske színe) állapotok nem jönnek létre. Elvben lehetséges az is, hogy  különböző W-bozonok bomlásánál kibocsátott kvarkok cserélnek egymással színt, és ezt hívják szín-visszacsatolásnak. A két W-részecske bomlásánál keletkező azonos bozonok közötti vonzás is felléphet, ez a másik érdekes végállapotbeli kölcsönhatás, a Bose-Einstein-csatolás. Mindkét említett kölcsönhatás - azon kívül, hogy fizikailag érdekes - zavaró tényezőként is fellép, amikor a W-részecskék tömegét próbáljuk meghatározni, hiszen energiát visz az egyik részecske bomlástermékeitől a másikéhoz.
    Mindezen hatásokat szintén megvizsgálták, és egyezést találtak a standard modell számításaival. Ez a munka tehát áttekinti és összefoglalja, hogyan erősítik meg a LEP-2 adatai a standard modell előjelzéseit. A debreceni csoport jelentősen hozzájárult az L3 detektor megépítéséhez és üzemeltetéséhez: a szilícium mikrovertex detektorok, a részecskeütközés finomszerkezetét érzékelő szívének optikai beállítását végezték, illetve részt vettek az OPAL kísérlet LEP-2-adatainak elemzésében.

2014. január


Energia-veszteségi szerkezetek szilárd testek HAXPES spektrumaiban

Energy loss structures in HAXPES spectra of solids
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 190 (2013) 144-152


Szerző: Kövér László

    Gázok, folyadékok, szilárd halmazállapotú testek alkotják anyagi környezetünket. A különböző közegek eltérő sajátságokkal rendelkeznek. Ezek megismerése, felderítése jól meghatározott kutatási szakterületek feladata.
    Az Atommagkutató Intézetben folynak szilárd testek jellemzését célzó kutatások is. Ennek kapcsán jelent meg egy tudományos áttekintés (review), amely az adott tudományterület átlagostól szélesebb és egyben pontos ismeretét igényli, sok hivatkozást tartalmaz. Egy ilyen típusú cikk megjelenésének a ténye egyben azt is jelenti, hogy a szerző(k) kiemelt szaktekintélynek számít(anak) az adott területen.
    Közismert a röntgensugarak áthatoló képessége. Azt is tudjuk, ha például fürdőkádba csobbanunk, akkor a víz bizony kifröccsenhet. Ehhez hasonlóan, ha elég nagy energiájú röntgensugárzás (bizonyos hullámhossztartományú elektromágneses sugárzás) éri például szilárd testek felületét, akkor abból elektronok „fröccsenhetnek” ki. Az ilyen „elég nagy energiájú röntgensugarakat” szokás kemény-röntgennek, míg a lejátszódó folyamatot (mikor elektromágneses sugárzás hatására valamely anyag felületi rétegeiből elektronok lépnek ki) fényelektromos jelenségnek nevezni. Az anyagból így kiszabadított elektronokat fotoelektronoknak, ezek energiájuk szerinti analízisét, „feltérképezését” pedig elektronspektroszkópiának nevezzük. A röntgensugarak már az anyag atomjainak a belső elektronhéjairól is képesek fotoelektronokat kiszabadítani, a nagyobb energiájú, úgynevezett kemény-röntgensugarak pedig olyan fotoelektronokat is, amelyek energiája elegendő ahhoz, hogy a felülettől mért nagyobb, több tíz atomi réteg vagy több tíz nanométer mélységből is kilépjenek. A fotoelektronok kilépési mélységét az anyaggal történő kölcsönhatásuk következtében fellépő energiaveszteségeik is megszabják. 
    A szilárd testek kemény-röntgen fotoelektron-spektroszkópiai (HAXPES) módszerrel mért spektrumaiban jelentkező elektron energia-veszteségi struktúrák nagyon hasznos információt tartalmaznak a szilárd testek tömbi, felület-közeli vagy határréteg-tartományainak elektronszerkezetére vagy kémiai összetételére vonatkozóan. A rendelkezésre álló kísérleti módszerek és elméleti modellek (amelyeket ezeknek a spektrumoknak az értelmezésére fejlesztettek ki és melyek a szilárd testekben zajló elektronszórásifolyamatok jelenlegi megértésének a szintjén alapulnak) pedig hatékony eszközt nyújtanak ahhoz, hogy ezt az információt a spektrumokból kinyerhessük.  A kemény-röntgen sugarakkal keltett nagyenergiájú elektronok energia-veszteségi folyamatai jelentős mértékben befolyásolják a mért elektronspektrumok alakját, ezért e folyamatok figyelembevétele és mélyebb megértése szükséges ahhoz, hogy a szilárd testek felületi, felületközeli és határrétegeinek elektronszerkezetéről és kémiai összetételéről pontosabb információt kapjunk.
    A cikk áttekintést, rövid összegzést nyújt erről a területről a HAXPES módszer alkalmazói számára az alapvető fogalmakkal és definíciókkal kezdve, a nagy energiájú elektronoknak a szilárd testek felületközeli tartományaiban végbemenő energia-veszteségi folyamatait leíró modellek tárgyalásán át, az e folyamatok hatásaira a kemény-röntgen fotoelektron-spektrumokat korrigáló, kiértékelésükben hasznosnak bizonyult módszerek ismertetéséig.


----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2013


2013. december
Neutron spektrométer óriásrezonanciák inverz kinametikájú (p,n) reakcióban történő tanulmányozására

A neutron spectrometer for studying giant resonances with (p,n) reactions in inverse kinematics

Szerzők: L. Stuhl, A. Krasznahorkay, M. Csatlós, A. Algora, J. Gulyás, G. Kalinka, J. Timár, N. Kalantar-Nayestanaki, C. Rigollet, S. Bagchi, M.A. Najafi

    A természet megismerésének egyik legnyilvánvalóbb módszere a megfigyelés, melynek alapja az érzékelés, észlelés. Általában könnyű dolgunk van addig, amíg hagyatkozhatunk az érzékszerveinkre. Mi a helyzet, akkor, ha a világ olyan területeit szeretnénk megismerni, ahol az emberi érzékszervek már cserben hagynak bennünket. Például az igen parányi anyagdarabok, mint például az atommagok  a szemünkkel már nem láthatók.  Tehát, készíteni kell olyan berendezéseket, melyek segítségével az atommagokról árulkodó, belőlük valamilyen oknál fogva kibocsátott sugárzásokat érzékelni, észlelni, számunkra is felfogható jelzésekké/jelekké lehet alakítani.Az egyik legnehezebben észlelhető, ezért szinte alattomosnak is nevezhető sugárzást a neutronok alkotják, mivel nincs elektromos töltésük.
    Az Atomki dolgozói - külföldi kollégáikkal együttműködésben – mostanában ismertettek egy berendezést, amely alkalmas arra, hogy az említett neutronokat észlelje, detektálja. Az alábbiakban erről számolunk be röviden.
  Napjaink magfizikájában a magszerkezeti vizsgálatok egyértelműen a stabilitási sávtól távolabb eső izotópok, ún. egzotikus atommagok felé tolódnak el. A korábbi kutatásokban már bebizonyosodott, hogy az atommagot felépítő protonokkal kiváltott, és neutronok kibocsátásával kísért, ún. töltéscsere-reakciók nagyon hasznos eszközök lehetnek a magszerkezet tanulmányozására. Ekkor lényegében kicserélünk egy protont neutronra vagy neutront protonra.
    A radioaktív ion  nyalábok előállításának sajátosságai miatt, ezek az egzotikus atommagok nagy kinetikus energiával keletkeznek. Ennek megfelelően vizsgálatukra az inverz kinematikában végzett mérésekben van igazán lehetőség.
    Normál kinematikában  az atommagokat pl. protonok bombázzák; szemléletesen egy medicinlabdát dobálunk teniszlabdákkal, és a lepattanó teniszlabdák mozgása alapján következtetünk a medicinlabda tulajdonágaira. Az inverz kinematika esetén a bombázó és a bombázott szerepet cserél (szemléletesen medicinlabdákkal dobáljuk a teniszlabdát), természetesen ekkor is a kirepülő részeket kell detektálnunk. Az inverz kinematikát az is indokolja, hogy az előállított egzotikus, radioaktív atommagokból céltárgyat aligha lehet készíteni, viszont ion-nyalábot igen, s azzal hidrogénben gazdag céltárgyakat lehet besugározni.     Az említett töltéscsere-reakciókat is elkezdték használni radioaktív nyalábokkal, inverz kinematikában, melyek esetén a kilépő neutronok energiája viszonylag kicsi (0,1 – 5 MeV), a repülési táv általában  rövid, viszont az elfogadható a repülési-időfelbontás és az energiafeloldás, valamint a szögfeloldás, mind kritikus. Összességében a lassú neutronok jó hatásfokkal való detektálása, és ezzel párhuzamosan az energiájuk és szögeloszlásuk pontos meghatározása speciális spektrométerek tervezését és alkalmazását igényli.
    Ezen motiváció alapján született meg a detektorunk terve, hogy eleget lehessen tenni a kísérleti kihívásoknak. Az képen látható Európai Kis-Energiás Neutron Spektrométert (ELENS, European Low-Energy Neutron Spectrometer) az egzotikus atommagok vizsgálatára terveztük.
    Az ELENS rendszer 15 különálló szcintillációs detektor-szálból épül fel. Minden egyes detektor-szál egy 10×45×1000 mm3 plasztik szcintillátor hasáb. A változtatható geometriai elrendezést három modul (modulonként 5 darab detektor) teszi lehetővé, teljes szabadsági fokot biztosítva a méréseknek legjobban megfelelő elrendezésre.
    A detektor-szálakat egy újfajta csomagolási eljárással egy magas reflexiós együtthatóval rendelkező, többrétegű fóliába csomagoltuk be. A fóliát, az irodalomban egyedülálló módon, speciálisan hőkezeltük, hogy egyenként a plasztikok tökéletes geometriai formáját felvegyék és így biztosítsák a jó fénybegyűjtést a szcintillátorok két végén lévő fotoelektron-sokszorozóban. Az elért, megközelítőleg 20%-os fénybegyűjtési hatásfok–növekedés (mely a részecske detektálási hatásfokkal arányos) jelentős, továbbá erősen csökkent a fénylecsengés a detektor-szálakban ezen új eljárásnak köszönhetően.
    A detektor-szálak közötti átszóródásra 5-10 % alatti értéket kaptunk, mely jól egyezzik a szimulációkkal nyert értékekkel. A kísérleti úton meghatározott helyfeloldás 7.2 – 8.3 cm közötti. Ezek az értékek 1 m-es detektor-céltárgy távolság esetén a célul kitűzött 1° közeli szögfeloldást biztosítani tudják, mely az 1 MeV körüli gerjesztési energia-feloldáshoz szükséges. A detektor hatásfok hitelesítését 0.2 – 5 MeV-es tartományban elvégeztük, a kapott eredmények egyezést mutatnak a szimulált értékekkel. Az ELENS detektor az 1 MeV-es kinetikus energiával rendelkező neutronokat közel 40%-os hatásfokkal tudja detektálni.
    A válaszfüggvényei és tulajdonságai alapján, az ELENS spektrométer alkalmas inverz kinematikában végrehajtott töltéscsere-reakciókban a neutronok detektálásával új, pontos információt adni a gerjesztési energiáról a különböző óriásrezonanciák esetén. Így tanulmányozható a vizsgált atommagok neutronbőr-vastagsága és egyéb, akár a neutroncsillagok paramétereivel összefüggő jelenségek is.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2013. november

A g-folyamat leírásában tapasztalt a-potentciál probléma megoldása és ennek szerepe a meteoritok Nd/Sm izotóparányának megértésében

Solution of the a-Potential Mystery in the g Process and Its Impact on the Nd/Sm Ratio in Meteorites
Physical Review Letters 111 (2013) 061104.

Szerző: T. Rauscher 

    Régóta érdekes kérdés, vajon hol és hogyan keletkeznek a kémiai elemek  a világmindenségben. A szakterület kutatói fáradhatatlanul keresik a lehetséges válaszokat mind kísérleti vizsgálatokban, mind elméleti megfontolások alapján. Gyakran speciális problémák tisztázásán keresztül történik előrelépés. Egy ilyen problémakört ölelnek át az ATOMKI-ban végzett kísérleti vizsgálatok, melynek eredményeire [1] alapozva jelent meg nemrég egy elvi kérdéseket feszegető közlemény a fizikai alapkutatások egyik legjelentősebb szakfolyóiratában.
    A korai naprendszerre  jellemző 146Sm/144Sm izotóparányt meteoritokban mért Nd/Sm arányok mérésével lehet meghatározni. Ennek alapján szupernóva-modellek  vizsgálatók, és információt nyerhetünk a naprendszer kialakulását megelőző szupernóva-robbanásról, mely meghatározhatta a naprendszer anyagi összetételét. A nagytömegű csillagok szupernóva-robbanásaiban lejátszódó g‑folyamat (illetve itt) modelljei azonban a mért izotóparányoktól jelentősen eltérő értékeket jósolnak. Ennek egyik oka lehet az, hogy a g‑folyamat magreakcióinak sebessége pontatlanul ismert. A két izotóp keletkezési aránya szinte kizárólag a 148Gd magon lejátszódó (g,n)/(g,a) reakciók sebességarányától függ.    
    Egy, az Atomkiban 1997-ben végzett 144Sm(a,g)148Gd hatáskeresztmetszet-mérés  [1] lényeges különbséget tárt fel az elmélet által jósolt és a mért hatáskeresztmetszet-adatok között: a 144Sm(a,g) reakció nemcsak a hatáskeresztmetszet abszolút értékében, hanem annak energiafüggésében is szokatlan viselkedést mutat. Ez arra utal, hogy az asztrofizikai energiákon a kérdéses reakció sebessége a modellekben használt érték tizedénél is kisebb. Az alacsonyenergiás hatáskeresztmetszetek főként az alfa részecske és az atommag között lejátszódó magreakciót leíró otikai modell potenciáljától függenek. Viszont még nem áll rendelkezésre olyan globális potenciál, mely helyesen jellemezné az ehhez hasonló alacsonyenergiás kísérletek eredményeit.    
   A mostani közlemény megállapítja, hogy a 144Sm(a,g)148Gd reakció hatáskeresztmetszetének mért  értéke indokolt. Ehhez figyelembe kell venni egy, csak alacsony energián lényeges, plusz reakciócsatornát is, ami eddig nem szerepelt a modellszámításokban. Ez a csatorna a Coulomb-gerjesztés, ami alacsony energián nem elhanyagolható a vele versengő közbensőmag-kialakuláshoz képest. Ugyanis ez utóbbi valószínűsége gyorsabban csökken a csökkenő energiával, mint a Coulomb-gerjesztésé. A beeső a-fluxus hatáskeresztmetszet azzal a megszokott optikai potenciállal írható le, amely jól működik az (n, egy részét a Coulomb-gerjesztés eltéríti a közbensőmag-kialakulás elől, ezáltal csökkentve a 144Sm (a,g)148Gd reakció hozamát. A Coulomb-gerjesztés járulékával a 144Sm+aa) reakciókra a vizsgált tömegszámtartományban. Ily módon más magokon mért alacsonyenergiás (a,g) és (a,n) adatok is megmagyarázhatóvá válnak. 
    A mérési eredmények ezen értelmezése komoly asztrofizikai következményekkel jár. A 148Gd(g,a) reakció sebessége sokkal nagyobb is lehet, mint azt korábban hittük, hiszen a Coulomb-gerjesztés nem játszik szerepet az a-kibocsátással járó reakciókban. Ez azonban sajnos nem oldja meg a meteoritok izotóparányainak méréséből származó ellentmondást. Ugyanis, ha nem vesszük figyelembe a Coulomb-gerjesztést, akkor a 144Sm (a,g) 148Gd reakció sebességéből túl magas izotóparányok származnak. Ezzel szemben, ha tekintettel vagyunk a jelen munkában javasolt hatásra is, akkor  a megfigyeléshez képest túl alacsony arányokat kapunk. Úgy tűnik tehát, hogy probléma lehet az egyelőre kísérletileg még felderítetlen 147Gd (n,g) 148Gd reakció sebességével is, illetve az asztrofizikai modellek további vizsgálatra szorulnak.

 [1] E. Somorjai, Zs. Fülöp, A.Z. Kiss, C.E. Rolfs, H.P. Trautvetter, U. Greife, M. Junker, S. Goriely, M. Arnould, M. Rayet, T. Rauscher, H. Oberhummer; Astron. Astrophys. 333 (1998) 1112.



2013. október


Felületkémiai folyamatok háromdimenziós leképezése katalitikus reakcióban nagyfeloldású pozitron emissziós tomográffal

Three-Dimensional Imaging of Surface Chemical Processes in Catalysis Using High-Resolution Positron Emission Tomography
ChemPlusChem 2013, 78, 830-836.

Szerzők: Sarkadi-Priboczki Éva, Valastyán Iván és Molnár József

        A Pozitron Emissziós Tomográfiával (PET), mint képalkotó eljárással, az emberi test  biokémiai funkciói molekuláris szinten képezhetőek le a nukleáris orvosi diagnosztikában. A PET azonban alkalmazható szilárd katalizátorok felületén végbemenő kémiai folyamatok molekuláris leképezésére is, azaz a pozitron emitterrel jelzett vegyületek adszorpciós, deszorpciós és dinamikus átrendeződéses folyamatainak monitorizálására. A képalkotó eljárás segít követni a katalizátor belsejében történő átalakulási folyamatokat, megérteni a katalizátor kinetikáját, felületi dinamikáját, valamint a reakció mechanizmusát különböző kísérleti paramétereknél.
        A katalízis-kísérletekben alkalmazott MiniPET-2 kamerát az ATOMKI-ban, a Debreceni Egyetemmel közösen fejlesztettük ki kisállatok preklinikai vizsgálatára és paraméterei a kereskedelmi forgalomban kapható kisállat-PET berendezésekkel összemérhetőek.  A kamera  12 gyűrűszerűen elhelyezett detektor egységből áll. A háromdimenziós kép 35 keresztmetszeti szeletből épül fel. A PET kamera segítségével a 11C-metanol vegyület pozícióját és mennyiségi eloszlását vizsgáltuk a zeolit tipusú katalizátoron (a katalizátor ágy  4 cm hosszú és 1.6 cm átmérőjű oszlop forma).
        Katalizátorok fejlesztésben mind tudományos, mind ipari kutatások kiváló eszköze a PET kamera, amivel a jól és kevésbé jól működő, vagy részben már lefedett katalizátorok felülete remekül vizsgálható. A PET képalkotás mennyiség szerint mutatja a radioaktív alkotóelem sugár- és tengelyirányú eloszlását a katalizátor teljes térfogatában. 
    A cikk a ChemPlusChem több szakterületet felölelő kémiai folyóiratban jelent meg (Wiley-Interscience kiadó). A folyóirat cikkeinek legalább két tudományterülethez köthető eredményről kell számot adni. A most közölt munkában PET képalkotó módszert alkalmaztunk katalízis folyamatának tanulmányozására.
        A bemutatott képek sorrendben a következők: 1. a kifejlesztett MiniPET-2 kamera, 2. PET leképezés vázlata (keresztmetszeti és hosszirányú metszet) a katalizátor szemcsékkel és a metszetekkel, 3. 11C-metanol és származékai térbeli eloszlásának 3D leképezése a katalizátoron, adott reakció hőmérsékletnél.    




2013. szeptember
Sokcsatornás dinamikai szimmetria és a klaszterek koegzisztenciája

Multichannel dynamical symmetry and cluster-coexistence
Phys. Rev. C87, 067301(4) (2013)

Szerzők: Cseh József, K. Kato

        A parányi atomoknál is sok nagyságrenddel kisebb atommagok megismerése és jellemzése óriási kihívás. A világ kiemelkedő atommagfizikai laboratóriumaiban kísérleti és elméleti módszerek seregeit vetik be ezekkel az apróságokkal szemben. Természetesen sok módszer, ismeret, jellegzetesség áll rendelkezésünkre az ún. makroszkópikus  világból is. Gondoljunk például egy közismert jellegzetességre, a szimmetriára: általában és különösen a fizikában. A szimmetriákhoz fűződő, ún. invariancia elvek lényegében változatlan következtetések levonását teszik lehetővé egy különböző szemszögekből vizsgált fizikai rendszer esetén. Az atommagok szimmetriájáról az Élet és Tudomány egyik díjnyertes cikkében maga Cseh József ad közérthető tájékoztatást.
        Szimmetriára vonatkozó megfontolások elősegíthetik összetett problémák egyszerű megoldásait. A két- vagy többféle részecskéből felépülő rendszerek szimmetriáit az osztályozza, hogy a részecskék számát a szimmetriák megőrzik-e külön-külön. Egyszerű szimmetriáról beszélünk, ha minden részecskeszám megmarad, és összetett szimmetriáról, ha csak a teljes részecskeszám állandó. (Ez utóbbi esetben az egyes részecskék akár egymásba át is alakulhatnak, de számuk összege nem változik.) Az atommagok  szerkezetének fizikájában néhány összetett szimmetria nagyon fontosnak bizonyult. Történelmi példa Wigner spin-izospin SU(4) szimmetriája, mely protonok és neutronok átalakításán alapul. Manapság nagy figyelmet keltett a dinamikai szuperszimmetria, melyben bozonok  és fermionok (fononok és nukleonok) alakulnak át egymásba.
    A fenti közlemény a magszerkezetnek egy új, összetett szimmetriáját tárja fel, nevezetesen a sokcsatornás dinamikai szimmetriát (MUSY-t). Ez egy atommag különböző fürtösödései (klaszterizációi) közt teremt kapcsolatot, például a 28Si-ban a 24Mg+4He és az 16O+12C elrendeződéseket, ún. konfigurációkat (lásd pl. az atomfizikai elektron konfigurációkat). (A csatorna a klaszeterkonfigurációt meghatározó reakciócsatornára utal.) Kísérletileg igazolt, hogy számos magban egyszerre vannak jelen különböző fürtösödések. Az új szimmetria képes ezeket együttesen leírni. Ennélfogva komoly előrejelzések várhatók tőle; például az egyik klaszterspektrum teljesen meghatározhatja a másikat. A sokcsatornás szimmetriát a szerzők egyike korábban már bevezette (J. Cseh, Phys. Rev. C50, 2240, 1994) empirikus módon (az energisajátértékek összefüggésére alapozva), tehát a modell már alkalmazásokban is bizonyította képességeit.

        A jelen munka a sokcsatornás szimmetria pontos matematikai hátterét és részletes fizikai tartalmát fejti ki. Az derül ki, hogy a különböző klaszterizációkat összekötő MUSY egy olyan dinamikai szimmetriának a következménye, ami a háttérben lévő többklaszter-konfigurációra jellemező. Például: a kétcsatornás szimmetria, ami két különböző, bináris konfigurációt kapcsol össze egy ternáris konfiguráció dinamikai szimmetriájának a vetülete.
        A MUSY első alkalmazásai a kísérleti spektrumok leírására biztatóak, de még sok munkát kell ahhoz elvégezni, hogy kiderüljön, mennyire helytálló az új szimmetria.


2013. augusztus
 


Nemesgázok hidrogénatom bombázással kiváltott többszörös ionizációja

Multiple ionization of rare gases by hydrogen-atom impact
PHYSICAL REVIEW A 87, 062705 (2013)


Szerzők: Sarkadi László, Herczku Péter, Kovács S. T. Sándor, Kövér Ákos

    2013 augusztusában az Atomki kutatói nemesgázok atomjain végzett vizsgálataikról számoltak be. Közismert, hogy szinte évezredek óta foglalkoztatja a gondolkodókat, kutatókat az anyag építőköveinek, az atomoknak a megismerése. S tudjuk, az ismeretek fő forrása: a kísérletezés és a megfigyelés. Napjainkban az atomfizikai kísérletek jelentős részében jól ismert atomi részecskékkel bombázunk vizsgálni kívánt atomokból álló mintákat. Kölcsönhatásuk következtében a minta atomjai gerjesztett állapotba kerülnek (sőt, akár maguk a bombázó részecskék is). A természet viszont szeret nyugalmi állapotba kerülni: sugárzások révén megszabadul a gerjesztett állapotát jellemző fölös energiától. Ezek a sugárzások az új ismeretek hírnökei, ezeket észleljük, rendszerezzük, feldolgozzuk és következtetéseket vonunk le a vizsgált atomok tulajdonságaira és viselkedésére vonatkozóan.
    Nemesgáz atomok többszörös ionizációját régóta vizsgálják különböző kísérleti és elméleti módszerekkel. Azonban már a legegyszerűbb, atomi szerkezet nélküli lövedékek (pl. proton, elektron, pozitron) esetén is problémát jelent a különböző reakciók nagy száma. Ilyen a direkt ionizáció , a töltéskicserélődés, az autoionizáció, az Auger-folyamatok, stb. Még bonyolultabb a helyzet a struktúrával rendelkező lövedékek esetén (pl. nehézionok, nagytöltésű ionok, atomi lövedékek). Ugyanis ekkor a reakciókban számításba kell venni a lövedék elektronjainak a mag töltését árnyékoló (screening), vagy éppen ezzel ellentétes hatását. Ez utóbbi eset nagyon érdekes, hiszen első látásra meglepőnek tűnhet, hogy a lövedéken jelen levő elektron növeli az ionizációs hatáskeresztmetszetet, ám az árnyékolt Coulomb-potenciál gyors változása bizonyos ütközési távolságoknál okozhatja ezt az ellentétes hatást. Ha ugyanis a lövedék elég közel halad el a céltárgy-atom mellett, az elektron árnyékoló hatása hirtelen megszűnhet, ami miatt az atom egyes elektronjai egy hirtelen „rántást” éreznek. Lassú lövedékeknél az ionizációs hozam nagyon érzékenyen reagálhat ezekre a hirtelen potenciálváltozásokra.
    Jelen cikkben az Atomki kutatói nemesgáz atomok (He, Ar, Kr, Ne) többszörös ionizációját vizsgálták  semleges hidrogén atomok (H0) becsapódása során, többféle lövedékenergián http://sv.wikipedia.org/wiki/Elektronvolt (75 keV – 300 keV). A méréseket az Atomki  1 MV-os Van de Graaff gyorsítójánál hajtották végre. Ugyanolyan feltételek mellett elvégezték a méréseket proton (H+) lövedékekkel is.  Összehasonlították az ionizációs hozamokat, majd következtetéseket vontak le a hidrogénatom elektronjának az ütközésben játszott szerepéről. Koincidenciamérésben meghatározták mind a meglökött ionok, mind a lövedékek eletromos töltését, azaz, töltésállapotát.   A koincidenciaméréshez a start jelet a meglökött ion detektorba történő becsapódása, a stop jelet pedig az ütközésben szóródott lövedék késleltetett jele adta. A kísérleti eredményeket összevetették a klasszikus pályák számításán alapuló Monte Carlo (CTMC)  szimulációk eredményeivel. A szimulációkat egyrészt a hagyományos CTMC modellel, másrészt annak egy, az ütközés sokrészecske jellegét pontosabban figyelembe vevő változatával (az ún.  nCTMC modellel) végezték el. A hidrogénatomot a számításokban teljesen árnyékolt Coulomb-potenciálú (semleges), pontszerű lövedékként közelítették, és elhanyagolták az amúgy is kis valószínűségű elektronbefogás folyamatát mind a lövedéknél, mind pedig a céltárgynál.
    A visszalökött ionok repülési-idő spektrumaiban megjelentek egészen magas ionizációs fokokhoz (q>3) tartozó csúcsok is. Az elméleti eredményekkel történő összevetésben csupán a háromszoros ionizációig mentek el. Ez alapján megállapítható, hogy az nCTMC kielégítő pontossággal írja le az egyszeres ionizációt, viszont magasabb ionizációs fokoknál mindkét leírás korlátokba ütközik. A teljes ionizációs hozamot nézve a végső következtetés az, hogy a H0 lövedék kevésbé hatékony ionizáló ágens nemesgázok esetén, mint a proton.
    A semleges atomi lövedékekkel kiváltott többszörös ionizáció tanulmányozása nem csupán az alapkutatásokban és elméleti szempontok miatt érdekes, hanem a nyert ismeretek több területen is hasznosíthatók, pl.: plazmafizikában, C-ion terápiában is.



2013. július


Funkcionális renormálási csoport kompakt tartójú sima regulátor függvénnyel

Functional Renormalization Group with a Compactly Supported Smooth Regulator Function


Szerző: Nándori István

    A természet titkainak kifürkészése két irányban is zajik: egyrészt kérdéseket intézünk hozzá
(kísérletek formájában) és arra válaszokat kapunk, másrészt pedig egyre árnyaltabbá tesszük azt a nyelvezetet, amin keresztül a természetet és annak jelenségeit leírjuk (matematikai modellek segítségével). Az MTA Atommagkutató Intézet munkatársának 2013. júliusi közleménye a természet leírásának nyelvezetét teszi még pontosabbá.
    A cím megértéséhez szükség van néhány fogalom tisztázására. A funkcionális renormálási csoport képletesen egy változtatható felbontású mikroszkópra emlékeztet. Az ismert mikrofizikai törvények nagyfelbontású “képéből” indulunk ki, majd csökkentjük a felbontást és a makroszkópikus világ együttes jelenségeinek durva, részletszegény “képét” vizsgáljuk. Az eljárás matematikailag egy funkcionálokra vonatkozó differenciál-egyenleten alapul. Egy függvényt simának nevezünk, ha végtelenszer differenciálható, valamint
kompakt tartójú, ha véges tartományon különbözik nullától.
    A cikkben vizsgált módszer lényege ahhoz köthető, hogy bizony a tanulmányaink során megismert fizikai állandók jó része nem is állandó, hanem attól függ, milyen “közelről tekintjük” azokat, más szóval, milyen energia- illetve méretskálán vizsgálódunk. Ennek az oka kettős. Egyrészt, ha egy részecske sebessége megközelíti a fény vákuumban mért sebességét, akkor használnunk kell a speciális relativitáselméletet és annak az egyik legfontosabb összefüggését, nevezetesen azt, hogy az energia és a tömeg egymásba átalakítható. Vagyis energia segítségével részecskék kelthetők. Másrészt, az elemi részecskéket kvantummechanika
használatával írjuk le, ami viszont kizárja, hogy egy részecske sebességét és helyét tetszőleges pontossággal meg lehessen határozni. Ha nagyon pontosan ismerem a helyét, akkor csak pontatlanul tudom megadni a sebességét. Hasonlóan, ha egy részecske energiáját akarom nagyon pontosan meghatározni, akkor csak pontatlanul tudom megmondani, hogy mely időpillanatban rendelkezik ezzel az energiával. Nagyon rövid időtartamra az energia megmaradását akár meg is sérthetjük. Tehát kombinálva a relativitáselmélet és a kvantummechanika összefüggéseit, lehetővé válik, hogy a “semmiből” keletkezzenek részecskék.
    Természetesen ezek nagyon rövid idő alatt meg is semmisülnek. Ezeket nevezzük virtuális részecskéknek. Vagyis a legtökéletesebb vákuum is “nyüzsög” a folyamatosan keletkező és megszűnő virtuális részecskéktől, amelyek az elektromos töltés megmaradása miatt párban keletkeznek: többnyire egy elektron és a vele ellentétes töltésű antirészecskéje, egy pozitron keletkezik. Ezek a párok közvetlenül nem mérhetők, de hatásukba ütközünk például ha egy valódi részecske töltését (amit, ugye, sokunk állandónak ismer) akarjuk meghatározni egy próbatöltéssegítségével, erőket és energiákat mérve. Az elektron körül állandóan keletkeznek és megszűnnek virtuális elektron-pozitron párok, amelyek viszont az eredeti elektron terében pozitronnal “befelé” és elektronnal “kifelé” helyezkednek el. A pozitronok leárnyékolják a “központi” elektront. Ha egészen közel vagyunk az elektronhoz, akkornagyon nem mindegy, hogy a próbatöltésünk éppen a pozitron melyik oldalán (az eredeti elektronhoz képest) helyezkedik el, akkor ugyanis az árnyékolás szempontjából még nagy hatással bír, hogy próbatöltésünk kintebb vagy bentebb van. Ezzel szemben, ha messzebb vagyunk, akkor alig bír jelentőséggel, hogy egy kicsit közelebb vagy távolabb helyezkedik el a próbatöltésünk. Ez azt jelenti, hogy a mérhető töltés függ a megközelítés távolságától. Az elektron töltése tehát attólfügg, milyen közelről “nézzük”.
    Miért is fontos az, ha az elektromos töltés függ attól a skálától, aminél vizsgáljuk? Azért, mert ennek segítségével mondhatjuk meg, hogy egy adott méretskálán mely elmélet vagy modell
segítségével kell jellemezni egy adott fizikai rendszert. Például, a kvarkok  közötti kölcsönhatást a QCD (erős kölcsönhatás vagy más néven kvantum szín-dinamika) írja le. Hasonlóan az elektromos töltéshez, itt is bevezethető egy töltés, az ún. színtöltés, vagyis egy állandó, ami persze függ a méretskálától. Egészen kis méretek tartományában a QCD-vel tudunk helyesen modellezni. Ott a kvarkok a megfelelő szabadsági fokok. Ha nagyobb méretek felé haladunk, elérjük a hadronizáció skáláját, akkor a színtöltés értéke lecsökken, legalábbis a többi (futó) állandóhoz képest, mert tudjuk, hogy a hadronizáció esetén nem a kvarkok a megfelelő szabadsági fokok, hanem maguk a hadronok. Ha még tovább növeljük a méretskálát, akkor eljutunk a QED (Kvantum Elektro-Dinamika)  tartományába. A renormálási csoport által tudjuk ezt a fajta, elméletek közti váltást megtenni. Ilyen értelemben ez a módszer olyan, mint egy elméleti mikroszkóp. Segítségével megtudhatjuk, hogy egy adott méretskálán mely elmélet vagy modell ad helyes leírást. A renormálásnak a címben említett válfaját már régóta vizsgálják. Kezdetben több egyenletet dolgoztak ki a renormálás végrehajtására, de kesőbb sikerült ezeket lényegében egyetlen egyenletbe összefoglalni. Ez fontos, hiszen a fizika, pontosabban a mérhető mennyiség nem függhet attól, hogy milyen egyenlettel akarom ezeket kiszámolni. Azonban fellépett egy másik probléma. Az egyenletben szerepel egy ún. szabályzó függvény, ami nem egyértelműen meghatározott és a kutatók néhány alaptípust használtak előszeretettel. Erre a problémára sikerült kidolgozni egy olyan eljárást, amivel kiválaszthatjuk a "legjobb" szabályzó függvényt. Ehhez azonban hiányzott egy olyan szabályzó függvény, ami egyesíti a fontosabb szabályzó függvényeket. Azaz - matematikai szóhasználattal - paramétereinek megfelelő megválasztásával, határértékben visszadaja a főbb típusokat. Ezt a hiányzó láncszemet sikerült megtalálni az Atomki kutatójának. Azt remélhetjük, hogy segítségével hatékonyabban  alkalmazható ez a módszer bonyolultnak tűnő fizikai világunk jelenségeinek leírására.


2013. június
A p-izotópok eredete magfizikai megfontolások és meteoritok összetétele alapján

Constraining the astrophysical origin of the p-nuclei through nuclear physics and meteoritic data


Szerzők: T. Rauscher, N. Dauphas, I. Dillmann, C. Fröhlich, Zs. Fülöp, Gy. Gyürky

    Sok-sok ember elgondolkozott már azon, vajon hogyan és hol keletkezhetnek anyagi világunk építőkövei. Rengeteg ismeretre tett szert az emberiség ezen a téren is, de még számos kérdés megválaszolatlan.
    Az Atommagkutató Intézet munkatársainak és külföldi kollégáinak 2013 júniusában közzé tett tudományos eredménye a világegyetemben található kémiai elemek egy csoportjának keletkezésével foglalkozik.
    A kémiai elemek döntő többsége csillagok belsejében, az úgynevezett nukleoszintézis során keletkezik. A könnyű elemek a csillag energiatermeléséért is felelős fúziós reakciók termékei. A magfúzió a vasnál viszont megáll, a csillag utolsó nukleáris energiatartaléka ezzel kimerül. Hogyan keletkezhetnek akkor a vasnál nehezebb elemek is?
    Jelenlegi ismereteink szerint ezek többsége neutronbefogási reakcióban jött létre – az úgynevezett asztrofizikai s- és r-folyamatokban. Az s-folyamat kis és közepes tömegű csillagokban zajlik, míg az r-folyamat valószínűleg csillagrobbanásokban vagy összeolvadó neutroncsillagokban megy végbe.
    Pár tucat stabil, proton-gazdag izotóp azonban nem jöhet létre ezekben a folyamatokban. Ezeket a Se és Hg között található izotópokat nevezzük p-izotópoknak. A kiterjedt asztrofizikai és magfizikai kutatások ellenére a p-izotópok eredete még homályos. A leginkább elfogadott elképzelés szerint nagy-tömegű csillagokban a már jelenlevő nehéz izotópok fotonok által kiváltott bomlása révén keletkezhetnek a p-izotópok. Ez az úgynevezett gamma-folyamat magas hőmérsékletet igényel, ami robbanásos asztrofizikai események velejárója. Ennek egy lehetséges helyszíne a II. típusú, mag-összeomlásos szupernóva robbanások O/Ne rétege.
    Habár a modellek szerint a nagytömegű csillagokban zajló gamma-folyamat valóban vezethet p-izotópok keletkezéséhez, a modellek nem képesek kellő pontossággal leírni a megfigyelt p-izotóp gyakoriságokat. Ezt a problémát alternatív asztrofizikai helyszínek figyelembevételével részben orvosolni lehet, ám a folyamat magfizikai oldala is jelentős bizonytalanságokat rejt. Ennek oka az, hogy a gamma-folyamatok modellezésében főként radioaktív  magokon lejátszódó reakciók sokaságát kell figyelembe venni, amiknek a tulajdonságai csak számításokból ismertek, kísérletileg nem.
    A meteoritok elemösszetételének vizsgálatából nyert adatok egyrészt a p-izotópok gyakoriságáról tájékoztatnak, másrészt megszorítást adnak a p-izotópok más folyamatokban (pl. protonbefogási reakciókban) történő keletkezésének lehetséges hozzájárulására is.
    A közleményben a kutatók részletesen taglalják az említett gamma-folyamat magfizikai bizonytalanságát. Ezek pontosítása érdekében elvégzendő kísérletek jellemző módszereit veszik szemügyre, valamint a modellszámítások eredményeivel történő összehasonlításból levonható következtetéseket elemzik. Áttekintik a gamma-folyamat jelenlegi asztrofizikai modelljeit, a szükséges magfizikai adatokat, illetve a meteoritok izotóparány-méréseiből a gamma-folyamatra nyerhető információkat. A modellek áttekintése után a továbbfejlesztésük lehetséges módjait vizsgálják néhány új eredmény bemutatásán keresztül, s összességében így egy lépéssel közelebb kerülhetünk a kémiai elemek keletkezésének megértésében.



2013. május

Negatív töltésű hidrogén ionok
avagy
Negatív hidrogénionok keletkezése 7 keV-es OH++Ar és OH++aceton ütközésekben: Egy általános mechanizmus hidrogént tartalmazó molekuláris rendszerekre

Formation of negative hydrogen ions in 7-keV OH++Ar and OH++acetone collisions: A general process for H-bearing molecular species
PHYSICAL REVIEW A 87, 032718 (2013)


Szerzők: Zoltán Juhász, Béla Sulik, Jimmy Rangama, Erika Bene, Burcu Sorgunlu-Frankland, François Frémont and Jean-Yves Chesnel

    Az MTA Atommagkutató Intézet (Atomki) egyik legújabb tudományos eredménye a negatív töltésű hidrogén ionokat veszi szemügyre. Tudjuk, hogy a hidrogén a világegyetem leggyakoribb eleme, és szerepe az élővilágban is kulcsfontosságú. Az is közismert, hogy a környezetünk dolgai olykor-olykor elektromosan töltöttek. A kémiai elemek atomjai és akár az azokból alkotott molekulái a nyugalmi állapotukhoz képest elektronokat veszítenek el, vagy akár fölöslegben birtokolhatnak is. Ilyenkor beszélünk ionokról.
    A cikkben az elektron-többletes, azaz negatív töltésű hidrogén ionokról van szó, amelyeket szokás még hidrogén anionnak is, hidridnek is nevezni. A csillagközi tér egyik fontos fényelnyelő közegét a hidrogén anion alkotja, amely a nap külső burkában, az ún. fotoszférában is előfordul, emiatt folytonos a Nap színképe. A hidrogén anionnak nincs stabil gerjesztett állapota. Igen könnyű róla egy elektront eltávolítani. Az ehhez szükséges energia, az ún. első ionizációs potenciál 0.75 eV értékű, ami igen alacsonynak számít (egy elektron energiája 1 eV, ha 1 V potenciálkülönbséget fut be). El tudja tehát nyelni a 0.75 – 4.0 eV  tartományba eső energiájú fényt, ez pedig a az infravöröstől kezdve a látható fény teljes spektrumát jelenti. 
    H- ionok keletkezhetnek plazmában, valamint ionok és gázok ütközéseiben. A protonok atomokkal és molekulákkal ütközve azoktól két elektront is elvehetnek. H- ionok létrejöhetnek hidrogént tartalmazó molekulák vagy molekulaionok ütközésekor is. Ennek egyik útja, hogy a molekula az ütközésben elektront vesz fel, de magasabb energiaállapotba is kerül. Egy ilyen gerjesztett molekula szét is eshet, méghozzá úgy, hogy az egyik töredék egy negatív hidrogén ion lesz.
    Egy másik lehetőséget a kutatók most fedeztek fel, erről szól a hónap cikke. Ismert, hogy molekulák nagy sebességgel történő találkozásakor az egyes atomok közel kerülhetnek egymáshoz és ütközéseik során közvetlenül kiüthetik egymást a molekulákból. Olyan ez, mintha gyengén összeragasztott billiárd golyók közül ütnénk ki az egyiket egy nagy sebességű másik golyóval. A meglepetést az okozta, hogy a molekulákból ilyen módon kiszakított protonok jelentős hányada (néhány százalék)  két elektront is magával visz, és negatív hidrogénionként távozik.
 Az Atomki kutatói nemzetközi együttműködésben, a franciaországi GANIL kutatóintézetben molekulaionokat ütköztettek atomokkal és molekulákkal. A kilépő elektronok szög- és energiaeloszlását mérve negatív hidrogénionokat is észleltek. Ezek a H- ionok nagy energia- és impulzusátadással járó kéttest-ütközésekben keletkeztek. Mind a lövedéktől, mind a céltárgy molekuláitól származó ionok jól megfigyelhetőek voltak. Ez arra utal, hogy az ún. napszél energiatartományában jelentős hozammal keletkezhetnek H- ionok minden olyan ütközésben, ahol valamelyik molekuláris partner hidrogént is tartalmaz.
    A megfigyelések szerint a direkt ütközések során kiütött protonok 1-2 %-os valószínűséggel ragadnak magukkal két elektront. A H- ion speciális tulajdonságai, erős reakcióképessége miatt ez az arány jelentősnek mondható. A negatív hidrogén ionok keletkezése tehát sokkal általánosabb a vártnál és speciális kiinduló molekulaállapot sem szükséges hozzá. 
    Az új eredmények jelentőségét jól mutatja, hogy élő szövetek ionokkal történő besugárzáskor pl., mind a vízmolekulák, mind a szerves molekulák bocsájthatnak ki ilyen ionokat. Ugyancsak fontos lehet ez a H- keltési folyamat a csillagok felszínén és a bolygók légkörében lezajló jelenségek megértése szempontjából.


2013. április
Anti-analóg dipólus óriásrezonanciák és az atommagok neutronbőre

Anti-analog giant dipole resonances and the neutron skin of nuclei

Szerzők: A. Krasznahorkay, N. Paar, D. Vretenar, M.N. Harakeh

A magfizika egyik érdekes jelensége az atommagok felületén kialakuló neutronbőr, és annak változása a tömegszám függvényében. Az atommagok proton és neutron négyzetes közép-sugarainak különbsége (neutronbőr) nagyon kicsi, a töltéssugárnak csak néhány %-a. Ennek a mennyiségnek a pontos mérése jelentős kihívást jelent.

A neutronbőr-vastagság pontos mérése nemcsak azért fontos, mert ez egy alapvető jellemzője az atommagoknak, hanem azért is, mert ennek értéke meghatározza a magfizikai állapotegyenlet szimmetria-tagját. A szimmetria-energia pontos ismerete alapvetően fontos a neutron gazdag atommagok szerkezetének értelmezéséhez, valamint a nukleáris asztrofizikai szempontból meghatározó neutron-gazdag anyag modellezéséhez is.

Az atommagokban fellépő korrelált (kollektív) rezgések, az óriásrezonanciák vizsgálata különösen alkalmasnak bizonyult a neutronbőr-vastagság meghatározására. Az elmúlt évtizedekben folytatott kutatásaink célja óriásrezonanciák gerjesztésén alapuló különböző, a radioaktív nyalábokban is alkalmazható módszerek kidolgozása volt.

Nemrég egy új módszert javasoltunk, ami az anti-analóg dipólus óriásrezonancia (AGDR) (p,n) reakcióban történő gerjesztésén alapszik. Az AGDR gerjesztési energiája érzékenyen függ a neutronbőr vastagságától, és így az AGDR energiájának mérésével a neutronbőr vastagsága meghatározható. A jelen munka célja azon elméleti előrejelzések ellenőrzése volt, amelyek segítségével, az AGDR energiák ismeretében a neutron-bőr vastagságokat meghatározhatjuk.

Az AGDR és IAS energiakülönbségére vonatkozó számításainkat relativisztikus proton-neutron kvázi-részecskés véletlen fázisú közelítésben (pn-RQRPA) végeztük, amik jól reprodukálták az Sn izotópláncra eddig ismert AGDR energiáit, valamint az ismert neutronbőr-vastagság értékeit is. Megmutattuk, hogy az AGDR energiájának -- sűrűségfüggő effektív kölcsönhatásokkal különböző szimmetria energiát feltételezve -- számított értékeinek a kísérleti adatokkal való összehasonlításával a neutronbőr-vastagság pontosan meghatározható. Az124Sn-re például ΔRpn = 0.21 ± 0.05 fm értéket kaptunk. Ez az eredmény nagyon jól egyezik a korábban publikált adatokkal.

Az AGDR módszer sikeres tesztje megteremti a lehetőségét számunkra, hogy a módszert neutron-gazdag egzotikus magokra is alkalmazzuk, amelyek a radioaktív nyalábok előállításával egyre inkább elérhetővé válnak.

2013. március



Egy 125 GeV tömegű új bozon megfigyelése a Nagy Hadronütköztető CMS kísérleténél

A New Boson with a Mass of 125 GeV Observed with the CMS Experiment at the Large Hadron Collider
Science 21 December 2012: Vol. 338 no. 6114 pp. 1569-1575


CMS Kollaboráció
Társszerzők az Atomki-ból: Béni Noémi, Czellár Sándor, Fenyvesi András, Horváth Dezső, Molnár József, Pálinkás József, Szillási Zoltán

Az elemi részecskék fizikájának Standard Modelljében a Higgs-mezővel történő kölcsönhatás során tesznek szert a részecskék a nyugalmi tömegükre. A Higgs-mező mindenhol zérustól különböző erősségű még a részecskementes térben is és a lehetséges legkisebb gerjesztése egy bozon (Higgs-bozon). A Higgs-bozon létezésének kimutatása alapvető a Standard Modell igazolása szempontjából.

A CERN (Genf, Svájc) Nagy Hadronütköztetőjénél (LHC) folyó CMS (Compact Muon Solenoid) kísérlet egyik célja annak ellenőrzése, hogy proton-proton ütközések során megfigyelhetők-e a Standard Modell Higgs-bozonjának γγ, ZZ, W+W-, τ+τ-, és bb bomlási módjai.

A CMS a háttér feletti eseményszámokat detektált 125 GeV nyugalmi tömeg körül. Az eltérés statisztikai szignifikanciája 5σ standard deviáció. A megfigyelést egy új bozon létezésével értelmezik. A ZZ valamint a kétfotonos elbomlási módok vizsgálata azt mutatja, hogy az új bozon spinje 1 -től eltérő és a nyugalmi tömege 125.3 ± 0.4(stat.) ± 0.5(syst.) GeV. Az új részecske 5.8 standard deviációval megfeleltethető a Standard Model Higgs-bozonjának.

További megfigyelések szükségesek annak eldöntéséhez, hogy valóban a Standard Model Higgs-bozonjáról, vagy valami más új részecskéről van-e szó. Az utóbbi eset az anyagi világ egy olyan tartományának létezésére utalna, amelynek leírásához nem elegendő az elemi részecskefizika Standard Modellje.

Az Atomki 1997 óta tagja a CMS kollaborációnak. Az Atomki a hadron kaloriméter rendszer un. very forward kaloriméterének (HF-HCAL) és a müonok detektálására szolgáló rendszernek a kifejlesztésében vett részt. Az Atomki jelentős szerepet vállalt a müon kamrák egy részét pozícionáló és irányzó optikai-elektromechanikai rendszer (Barrel Alignment Monitor, BAM) Modules for the Alignment of the Barrel (MABs) nevű elemeinek kifejlesztésében és megépítésében és részt vesz a rendszer üzemeltetésében is.

Az Atomki számos sugárkárosodási vizsgálatban is közreműködött a fejlesztések során. Azokat a várható sugárkárosodási hatásokat modellezték, melyeket gamma fotonok, elektronok, protonok, neutronok, elektromágneses és hadron záporok válthatnak ki a CMS sugárzási környezetében történő működtetésre kifejlesztett elektronikai, elektronikai-fotonikai és optikai eszközökben és rendszerekben.



2013. február


Poisson-véletlen mátrix átmenet a QCD Dirac spektrumban 

Poisson-random matrix transition in the QCD Dirac spectrum
Physical Review D 86 (2012) 114515


Szerzők: Kovács Tamás György és Pittler Ferenc

A kvarkok erősen kölcsönható elemi részecskék, melyek a hadronok, köztük a proton és a neutron elemi alkotóelemei. Az erősen kölcsönható anyagnak két, alapvetően különböző állapota van: alacsony hőmérsékleten a hadronikus anyag, magas hőmérsékleten a kvark-gluon plazma. Hadronikus fázisban az alacsonyan fekvő kvark állapotok - a rendszert jellemző méretekhez képest - térben kiterjedtek. Energiaszintjeinek eloszlását az ún. véletlen-mátrix statisztika írja le, amit először Wigner Jenő alkalmazott nehéz atommagok gerjesztési spektrumának statisztikus leírására. A kvark állapotok ezen statisztikus leírása hasznos az erősen kölcsönható rendszerek bizonyos tulajdonságainak numerikus meghatározásában is. Sajnos a magas hőmérsékletű, kvark-gluon plazma fázisban azonban mindeddig nem sikerült a kvark állapotok ehhez hasonló statisztikus leírását megtalálni.

Jelen munkánkban megmutattuk, hogy a kvark-gluon plazmában az alacsony kvark állapotok Poisson statisztikát követnek, vagyis az egyes állapotok egymástól függetlenek. Ennek oka, hogy az állapotok térben erősen lokalizáltak, így a rendszer kis fluktuációinak hatására nem tudnak keveredni. Kimutattuk, hogy az állapotok lokalizációs hossza gyorsan csökken a hőmérséklet növelésével. Különösen érdekes, hogy csak a legalacsonyabb energiájú kvark állapotok lokalizáltak, azok, amelyek az alacsony-energiás fizika szempontjából a leglényegesebbek. Az energiaspektrumban fölfelé haladva a lokalizáció fokozatosan megszűnik és a magas energiájú állapotok ismét véletlen mátrix statisztikát mutatnak. A lokalizált és delokalizált állapotokat elválasztó ún. mobilitási határ a hőmérséklettel gyorsan növekszik, tehát magas hőmérsékleten egyre több állapot lesz lokalizált. Jelenleg a jelenség jobb megértésén és fizikai következményeinek vizsgálatán dolgozunk.

Ez a jelenség, melyet először figyeltünk meg erősen kölcsönható rendszerben, szoros analógiát mutat a szilárdtest fizikában régóta ismert Anderson lokalizációval. Ennek lényege, hogy szennyezők hatására a vezetési sáv szélén lokalizált, Poisson statisztikájú elektron állapotok alakulnak ki. A szennyező-koncentráció növelésével a sáv szélén egyre több állapot lesz lokalizált, a mobilitási határ a sáv közepe felé tolódik.



2013. január


Mágneses részecske hyperthermia: cirkulárisan polarizált tér hatására fellépő teljesítmény veszteség anizotróp nanorészecskékben 

Magnetic particle hyperthermia: Power losses under circularly polarized field in anisotropic nanoparticles
Physical Review E 86 (2012) 061404

 
Szerzők: Nándori István, Rácz Judit

Mágneses nanorészecskék (nanoméretű egykristályok) relaxációja vagy általánosabban a mágnesezettség dinamikájának vizsgálata ferromágneses egy-doménes rendszerekben elméleti és gyakorlati szempontból is érdekes. A ferromágneses rezonancia mellett számos más alkalmazási területet lehet említeni (pl. mágneses információ tárolás, MRI). A legtöbb esetben fontos a mágneses nanorészecskék relaxációja során fellépő energiaveszteség csökkentése. Ez alól kivétel a külső gerjesztő tér alacsony frekvenciás tartományába eső orvosi alkalmazások esete, ahol az energiaveszteség maximalizálása az elérendő cél. Relaxació során a nanorészecskék energiát vesznek fel a külső térből és azt a környezetüknek adják le, ezáltal lokálisan és kontrollált módon emelhető a hőmérséklet például az emberi szervezetben. Mivel bizonyos tumorsejtek érzékenyen reagálnak a melegítésre, ezért a mágneses nanorészecskék segítségével végzett hyperthermia azaz "lázterápia" jól használható lehet olyan esetekben, ahol a daganatos megbetegedések hagyományos terápiás módszerei nem, vagy csak korlátozott módon alkalmazhatók. A sokrétű alkalmazási lehetőség miatt a relaxáció vizsgálata mágneses nanorészecske rendszerekben napjainkban is igen aktív terület. A legtöbb tanulmány lineárisan polarizált külső gerjesztő térre vonatkozik, míg viszonylag kevés vizsgálat történt a cirkulárisan polarizált esetre, holott a technikai megvalósítást tekintve az utóbbi nem kíván különleges elvárásokat. Továbbá a cirkulárisan polarizált tér hatását vizsgáló viszonylag kevés számú munka a dinamikai effektusokra és nem pedig a veszteség meghatározására vonatkozik tehát a veszteség vizsgálata cirkulárisan polarizált esetben egy nyitott kérdés.

Ezért született meg az Atomkiban az a hosszú távú kutatási téma, melynek célja a cirkulárisan polarizált külső tér esetén kapott relaxáció elméleti és kísérleti tanulmányozása. A témában már készült egy atomkis publikáció az izotróp, egy-részecske relaxációját elméleti úton tárgyaló esetre. A kísérleti eredményekkel való pontosabb összehasonlításhoz azonban szükség volt az anizotrópia figyelembe vételére.

A jelen munkában általánosítottunk az anizotróp esetre, ahol az anizotrópia-tér a forgó külső tér forgástengelyével egybeesett (statikus tér nélkül, egytengelyű anizotrópiát feltételezve). A mágnesezettség dinamikáját illetve a relaxációt leíró egyenletet megoldva megmuttuk, hogy az anizotrópia figyelembe vételével nem lehet nagyobb energiaveszteséget elérni cirkulárisan polarizált tér esetén. Tehát előző munkák eredményét is felhasználva megállapítható, hogy az energiaveszteség lineárisan polarizált izotróp esetben adódik a legnagyobbnak. Az eddig kapott eredményeket azonban befolyásolhatja a termikus fluktuációk pontosabb figyelembe vétele, amely a kutatómunka következő lépése, mind izotróp, mind anizotróp esetre számolva.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Támop-4.2.3-12/1/ KONV-2012-0057 Megérthető-elérhető fizika

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Oldalgazda: Rácz R.
Utolsó módosítás: 2014. június 2.