A nehéz kémiai elemeknek a nuklidtérkép protongazdag oldalán található stabil izotópjai robbanásos asztrofizikai eseményekben az úgynevezett γ-folyamat során jöhetnek létre. A folyamat bonyolult reakcióhálózattal jellemezhető, melyben fontos szerepet játszanak a  reakciók. A γ-folyamat vasnál nehezebb magokon játszódik le, ahol a magok nagy nívósűrűsége elengedhetetlenné teszi a statisztikus modell használatát a reakciók leírására. E modell egyik fontos paramétere a bombázó részecske és a céltárgymag közötti kölcsönhatást leíró potenciál, esetünkben az α-mag optikai modell potenciál (AOMP), amit az asztrofizikai környezetnek megfelelő energián kell ismernünk. A potenciál jellemzőit kísérleti úton úgy tudjuk meghatározni, hogy hatáskeresztmetszet-méréseket végzünk, amiknek eredményét összehasonlítjuk különböző AOMP modelleket felhasználó számítások eredményeivel. Kézenfekvő lenne a  reakciók hatáskeresztmetszetét mérve ellenőrizni a potenciált, azonban ezeknek a reakcióknak a kísérleti tanulmányozása nehézkes és jelentős bizonytalansággal terhelt. Korábbi kísérletek és számítások azonban azt mutatták, hogy az AOMP jól tanulmányozható alacsony energián  reakciókkal.

Jelen munkánkban Te izotópokon végbemenő  reakciókat tanulmányoztunk. A vizsgált reakciók végtermékei minden esetben radioaktívak, ezért az aktivációs módszert alkalmaztuk a kísérletek megvalósítására. A méréskhez természetes izotópösszetételű tellúr targeteket használtunk amelyeket az ATOMKI ciklotron gyorsítójával besugározva vizsgáltuk a ^{120,122,124,130}Te(α,n) reakciókat. A besugárzott céltárgyakban keletkező Xe izotópok bomlását HPGe detektorokkal követtük nyomon. A kísérletek eredményeként meghatároztuk az egyes reakciók hatáskeresztmetszetét az E_α,lab=10-17MeV energiatartományban.

A mért hatáskeresztmetszeteket összehasonlítottuk különböző optikai potenciálokkal végzett statisztikusmodell-számításokkal, a TALYS kód felhasználásával.

A cikk részletesen tárgyalja a kísérleti munka motivációit, megvalósítását és elméleti diszkusszióját. A cikk végső konklúziója, hogy a nemrégiben kifejlesztett ATOMKI-V2 AOMP szolgáltatja a kísérleti adatokkal legjobban egyező eredményeket a tanulmányozott reakciók esetében.

Sir Fred Hoyle a magfizikának, vagy talán az egész fizikának az egyik legsikeresebb elméleti jóslatát fogalmazta meg 1955-ben, amikor feltételezte, hogy a 12C atommagnak van egy speciális állapota. Ezt hamarosan meg is találták kísérletileg, és azóta Hoyle-állapotnak hívjuk. A fő sajátosságai a következők: közel van ahhoz az energiaküszöbhöz, ahol a 12C szét tud esni három alfa-részecskére, nulla az impulzusmomentuma, és fürtösödött állapot, vagyis három alfa-részecske dominálja a szerkezetét. Ez a rezonanciaállapot teszi lehetővé, hogy a csillagtűzben három 4He mag elégjen egy 12C-vé. Enélkül nem tudnának kialakulni a kémiai elemek, és többek között az élet sem.

Nemrégiben egy kísérlet azt tárta fel, hogy a 12C+12C reakcióban van négy állapot annak a küszöbenergiának a környezetében, ahol a 24Mg szét tud esni két 12C-re. Ezek szintén nulla perdülettel rendelkeznek, és arra utaltak a jelek, hogy ők is fürtösödött állapotok. Emiatt a felfedezők azt a sejtést fogalmazták meg, hogy a már ismert Hoyle-paradigma újabb megnyilvánulásával van dolgunk: a rezonanciák léte teszi lehetővé a reakciót, vagyis a 12C magokból a 24Mg létrehozását.

A dolgozat az elmélet oldaláról vizsgálja a kérdést kvantitatív módon. Nevezetesen a 0+ állapotok eloszlását írja le a küszöbenergia környékén. Az derül ki, hogy az egyszerű 12C+12C konfiguráció nem ad kellő állapotsűrűséget, de a speciális (kvartett-tipusú) háttérállapotokhoz való csatolódás igen.

Ismeretes, hogy magas hőmérsékleten a nukleonokból kiszabadulnak a kvarkok, létrejön az erősen kölcsönható anyag új fázisa, a kvark-gluon plazma, melyet nehézion ütközési kísérletekben megfigyeltek. Mivel a nukleonokat alkotó u és d kvarkok tömege kicsi, az erős kölcsönhatást leíró elméletnek, a QCD-nek van egy közelítő ún. királis szimmetriája. E szimmetria kvark-ízeket keverő része alacsony hőmérsékleten spontán sérül, a QCD alapállapota nem szimmetrikus, azonban a kvark-gluon plazma fázisban a szimmetria nagyrészt helyreáll. A királis szimmetria megvalósulási formája alapvető jelentőségű a hadronok alacsonyenergiás tulajdonságai szempontjából. Spontán sérülésének következménye például, hogy a nukleonok tömege jóval nagyobb, mint az őket alkotó kvarkok tömegének összege. A királis szimmetria kvark-gluon plazmában történő helyreállásának jobb megértése emiatt igen lényeges. Van azonban e szimmetriának egy olyan része, az u és d kvarkokat egyformán transzformáló U(1)_A axiális szimmetria, melynek sorsa az átmenet során kétséges, ugyanis ez alacsony hőmérsékleten nem spontán sérül, hanem sérülését a gluonmező speciális konfigurációi, az instantonok okozzák.

A kvark-gluon plazma fázisban a hőmérséklet növelésével az instantonok sűrűsége meredeken csökken, azonban sosem lesz nulla. A rácstérelmélettel foglalkozó közösségben évtizedes vita folyik arról, hogy ennek a ritka instantongáznak milyen hatása lehet az U(1)_A szimmetriára, visszaáll-e a szimmetria a plazma fázisban. A vitát mindezidáig annak ellenére nem sikerült eldönteni, hogy Japánban és Németországban a világ legnagyobb szuperszámítógépein máig jelentős gépidőt fordítanak a kérdés megválaszolására. Az eddigi sikertelenség oka, hogy itt a rács-QCD számolások minden nehézsége egyszerre merül fel, ugyanis kis kvarktömeg mellet nagy térfogaton kell szimulálni, egzakt királis szimmetriával rendelkező kvark-diszkretizáció használatával, ráadásul egyes szisztematikus hibák forrásait és nagyságát sem ismerjük.

Ebben a munkában sikerült megmutatnom, hogy a királis szimmetria szempontjából lényeges szabadsági fokok valóban az instantonok, és ezek pontos leírása lehetséges egy olyan egyszerű modell keretében, melynek szimulációja egy laptopon is kivitelezhető. Ráadásul a szimuláció eredményei azt mutatják, hogy annak ellenére, hogy a kvarkok kölcsönhatást generálnak az instantonok között, az instanton-gáznak a királis szimmetria szempontjából releváns része kölcsönhatásmentes, így analitikusan is kezelhető. Az új modell segítségével az U(1)_A szimmetria megvalósulási formájára vonatkozó kérdést sikerült megválaszolni. Az eredmény másik érdekessége, hogy a modell a sok szabadsági fokú, erősen kölcsönható rendszerek néhány olyan szabadsági fokát azonosítja, melyek magas hőmérsékleten lényegében kölcsönhatásmentesen tárgyalhatók, és segítségükkel megérthetők ezen rendszerek szimmetria-tulajdonságai. A modell és a belőle származó fizikai kép remélhetőleg további információkat fog szolgáltatni az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramjára vonatkozóan.

A felületfizikai kutatások témakörébe tartozik a felületeken és a felülethez közeli rétegekben végbemenő atommozgási folyamatok vizsgálata. A téma érdekes alapkutatási szempontból, de fontos a modern elektronikai ipari technológiák szempontjából is, mint a vezetők és szigetelők korrózióvédő vagy optikai tulajdonságainak javítását célzó bevonatolások, vagy az ólommentes forrasztási technológia. Amíg az ón-ólom ötvözet alkalmazása az ipari forrasztási technológiákban egy jól bevált és megbízható eljárás volt, addig az ólom kiváltása óriási technológiai erőfeszítéseket igényelt. A gyártási hőmérsékletek alacsonyabbak lettek, de nem rendelkezünk alacsonyhőmérsékleti atommozgási folyamatokat leíró kísérleti adatokkal. Ennek az az oka, hogy alacsony hőmérsékleteken, ami 150 C-nál kisebb hőmérsékleteket is jelenthet, nem egyszerű vizsgálni az atommozgási folyamatokat vékonyrétegekben.

A cikkben bemutatott eredmények alapkutatási szempontból is jelentősek. Egy 1980-as években kidolgozott modell szerint a felületközeli rétegből a felületre termikus diffúzióval kijutott atomok a felületen egyenletes és folytonos réteget formálnak a kis aktivációs energiával rendelkező felületi diffúzió miatt. Ez a modell igaz, ha a felület egy ideális kétdimenziós sík. De nem igaz felületi durvasággal bíró felületre, amikor a felület nem ideális sík. A gyakorlatban ez utóbbi valósul meg. Ezért a felületi folytonos kétdimenziós réteg kialakulásának modelljét felül kell bírálni az új, pontosabb kísérleti eredményeknek megfelelően.

A kísérleteket olyan anyagokon végeztük, amelyeket gyakran alkalmaznak az elektronikában. Ezek a Cu, Ni és a Si. Porlasztásos technikával készítettünk egykristály szilícium hordozókra néhány 10 nm vastagságú Ni/Cu és Cu/Si réteget, majd az elkészült mintákat adott ideig, adott hőmérsékleten hőkezeltük, miközben a minták felületén bekövetkező változásokat kis energiás ionszórásos spektroszkópiával figyeltük. A hőkezelés után még a következő módszerekkel is végeztünk felületvizsgálatokat: tömegspektrometrián alapuló mélységprofi-analízis, Röntgen-gerjesztéses elektronspektroszkópia, alagútáramos tűs-mikroszópia és elektronmikroszkópia.

A kísérletek célja a Cu atomoknak a polikristályos Ni rétegen, a Si atomoknak pedig a polikristályos Cu rétegen való keresztüljutásának a tanulmányozása, majd a felületre való kijutás után a felületen való elrendeződésüknek a tanulmányozása volt. Meghatároztuk a szemcsehatár diffúzióban résztvevő Cu és Si atomok felületi megjelenésének idejét, továbbá a felületi koncentrációjuk változását és az aktivációs energiákat. Megállapítottuk, hogy a felületre kijutott atomok elrendeződése nem felel meg az eddig elfogadott képnek, nem alkotnak folytonos felületi réteget, ehelyett szigeteket alkotnak. Vizsgáltuk ezen szigetek kialakulásának hőmérséklettől és a hőkezelési időtől való függését, továbbá az oxigén szerepét a felületi atomok közötti kötésrendszerben.

Magyarország nem csak az egy főre eső Nobel-díjasok számában világelső, de sajnos a rákos megbetegedések okozta elhalálozások statisztikájában is közel áll ehhez a címhez. A radioaktív izotópok sugárbiológiai hatását már régen igyekeznek alkalmazni tumorterápiás célokra. A béta és alfa sugárzó radioizotópok mellett egyre nagyobb figyelem jut az úgynevezett Auger elektronokat sugárzó izotópokra, mint például a ¹⁰³Pd-ra. Ugyanis az Auger elektronok nagyságrendekkel kisebb térben adják át energiájukat a környezetnek, mint a béta vagy alfa részecskék, ezért a tumorszövetekbe juttatva csak a tumoros sejtek halálát okozzák, az egészséges sejtek sugárkárosodást gyakorlatilag nem szenvednek. Ilyen izotóp a ¹⁰³Pd is, aminek széleskörű felhasználását eddig nagyban gátolta az előállítása során alkalmazott rendkívüli vegyszer és élőerő igényes, roppant bonyolult nedves kémiai elválasztási technika. Ennek forradalmian új alternatíváját dolgozták ki a szerzők. A magas hőmérsékleten, vákuumban történő kipárologtatása a ¹⁰³Pd-nak a ródium fém fóliából, amiben ciklotronon történt besugárzással indukált magreakció hozta létre a radioaktív izotópot a palládium és a ródium fémek parciális gőznyomásának különbségén alapszik. A gőznyomáskülönbség révén a ¹⁰³Pd kidiffundál a ródium fólia felületére, ahonnan elpárolog. Az elvi lehetőség használhatóságát a szerzők az általuk megépített izotópszeparátor alkalmazásával kísérleti úton, úgynevezett ”proof-of-concept study” révén igazolták radioaktív izotóppal is. Inaktív előkísérletekben bizonyították, hogy a palládium elpárolgásakor a „hideg” csapda felületén ródium nem kimérhető, azaz „nem repül”. Erre az Atomki tömegspektrometria és pásztázó mikroszkópia anyagvizsgálati módszereit használták fel. A diffúziós állandók hőmérsékletgörbéje alapján megbecsülhető az adott rétegvastagsághoz tartozó optimális „párologtatási idő” is, ami már a rutin termelés gazdasági optimalizálásához lesz szükséges.

A ¹⁰³Pd-ot „isteni golyóként” is emlegetik, mert tumorszelektív vektormolekulákhoz kötve szinte teljesen kiküszöbölhető lehet a korábban terápiás célra használt béta- és alfasugárzó izotópok esetén elkerülhetetlen környezeti sugárkárosító hatás az egészséges sejtekre. A szerzők reményei szerint a tumoros sejtekre jellemző receptorokhoz kötődő úgynevezett „affibody-k” alkalmasak lesznek ilyen vektor molekula szerepre, kutatásaikat ebben az irányban folytatják.

A kén olyan alapvető elem, amely minden ismert életformában megtalálható. Ezért az asztrokémiai és asztrobiológiai kutatások egyre inkább törekednek a kéntartalmú molekulák űrbéli körülmények közti keletkezéséhez és roncsolódásához vezető körülmények megértésére. Az egyik lehetséges keletkezési mechanizmus a Napszélben és az óriásbolygók magnetoszférájában is jelen lévő reaktív kén ionok implantálódása (beágyazódása) a külső Naprendszer jeges holdjain, üstökösökön, vagy a Kuiper-öv jeges objektumain található jegekbe. Az implantálódás folyamata során elektromosan semlegesítődő kénionok a jeget alkotó molekulák sokaságával képesek reakcióba lépni. Ezen reakciók során új molekulák, (akár összetett) ionok és szabad gyökök is létrejöhetnek. Az egyszerűbb két- ill. háromatomos molekulák mellett, így akár összetett szerves molekulák is keletkezhetnek.

Ebben a közleményben azokról az eredményeinkről számolunk be, melyeket a 290-400 keV bombázóion-energiatartományba eső reaktív kénionoknak O₂, CO és CO₂ jegekbe történő implantálása során értünk el. A jegeket olyan körülmények (hőmérséklet, nyomás, besugárzási dózis és jégkészítési körülmények) között alakítottuk ki és sugároztuk be, melyek a külső Naprendszer jeges régióiban jellemzőek; ilyen régió a Kuiper-öv. Ezek a kísérletek azért fontosak, mert korábbi asztrokémiai kutatások leginkább a Jupiter Galilei-holdjainak rendszerére jellemző körülmények között vizsgálták a kén implantálódásának folyamatát. A Galilei-holdak régiójában a fizikai-kémiai környezet nagymértékben különbözik attól, ami a Kuiper-övben megfigyelhető. Így jelenlegi eredményeink egy újabb lépést jelentenek annak megértésében, hogy a kén jelenléte milyen szerepet játszik a sugárzás hatására végbemenő kémiai változásokban.

Eredményeink azt mutatják, hogy az O₂ jégbe implantált kén ionok hatékonyan hoznak létre SO₂ molekulákat. Számszerűsítve, minden implantált kénionra átlagosan 0.47±0.01 kén-dioxid molekula keletkezése jut. Ebből arra következtetünk, hogy a külső-Naprendszer oxigéndús jegeiben nem elhanyagolható az SO₂ keletkezése. Ugyanakkor meg kell jegyeznünk, hogy egyéb sugárzástípusok és hőmérsékleti hatások miatt (főként víz és ózon közvetlen környezetében) végbemenő kémiai reakciók a keletkező SO₂ molekulák számát jelentősen csökkenthetik. Nem tudtuk megfigyelni kéntartalmú molekulák keletkezését CO jég besugárzása során. Ilyenkor a kéntartalmú molekulák helyett szénben gazdag molekulák (CO₂ és CO₃ molekulák, kumulén-oxidok [három vagy több szomszédos C-C kétszeres kötést tartalmaznak], szén-oxid típusú gyökök) jöttek létre. Ha az egyszerű kéntartalmú molekulák keletkezésének látszólagos hiányát a sugárzás gerjesztette bőséges szénkémiával együtt tekintjük, akkor feltételezhetjük, hogy a „hiányzó” kén a nagyon kis mennyiségben keletkezett komplex szerves molekulákba épülhetett be. További fontos eredményünk, hogy a Kuiper-övi körülmények közt szén-dioxid jégbe implantált kénionok csak kis mennyiségű SO₂ keletkezését okozták. A kísérletek során nyilvánvalóvá vált számunkra, hogy a kénionok implantálódása CO₂ jégbe nem hatékony módja a kén-dioxid molekulák keletkezésének. Ezt a kísérletet a Galilei-holdrendszer szempontjából releváns magasabb hőmérsékleten is elvégeztük, és azt tapasztaltuk, hogy ilyen körülmények között a kénionok CO₂ jégbe történő implantálása egyáltalán nem eredményezi kén-dioxid molekulák létrejöttét.

Ezzel rámutattunk, hogy a kénionok molekuláris jégbe történő implantálása, a Naprendszer különböző régióinak megfelelő körülmények közt, régiónként jelentősen eltérő kémiai folyamatokhoz vezet.