A légszennyezettség az emberi egészségkárosodás egyik fő oka Európában. Becslések szerint évente 310 000 idő előtti haláleset következik be az EU 27 tagállamában, amely kizárólag a finom (2,5 µm-nél kisebb = PM_2,5) aeroszol részecskéknek való kitettségnek köszönhető. Ismert, hogy a PM_2,5 részecskék elérik a légzőrendszer mélyebb traktusait (hörgők, alveolusok) és ott gyulladásos folyamatokat indíthatnak el. A 2,5 µm alatti tartományban további méretfrakciókat különböztetünk meg. Az egyes mérettartományba eső részecskék fő forrásaikban, képződési mechanizmusaikban, és ezáltal kémiai összetételükben egyaránt jelentősen különböznek.

A HUN-REN Atommagkutató Intézet (HUN-REN ATOMKI) kutatói több mint két évtizede foglalkoznak a légköri aeroszol forrásainak azonosításával. A korábbi eredményeink ösztönöztek minket arra, hogy elsőként vizsgáljuk meg a méret szerinti eloszlás függvényében a légköri aeroszol elem- és radiokarbon összetételét. A paraméterek egyidejű értékelése pontosabbá teszi az aeroszol részecskék különböző kibocsátási forrásainak és képződési folyamatainak megértését.

Kutatásunk során bebizonyítottuk, hogy jobb forrásazonosítás érhető el - különösen a fosszilis és a nem fosszilis (modern) források tekintetében - ha a részecskék méret szerinti eloszlását az alkalmazott analitikai módszerek kombinációjával vizsgáljuk. Megmutattuk az egyes módszerek előnyeit és hátrányait valamint, hogy a szmogos időszak kulcsfontosságú forrásainak (biomassza égetés és közlekedés) nyomjelzői elsősorban az ~1 µm-es mérettartományban jelennek meg. A modern széntartalom méreteloszlása a szmogos időszakban eltérést mutatott a vegetációs időszakhoz képest, míg a fosszilis széntartalom esetében a két eloszlás hasonlósága volt megfigyelhető. Ez utóbbi alátámasztja, hogy a közlekedésből származó részecskék eloszlása jelentősen nem változik.

Az atommagot általában gömb alakúnak gondoljuk, de számos vizsgálat kimutatta, hogy különböző deformált alakkal is rendelkezhet, például lehet megnyúlt szivar alakú, belapult zsemle alakú, háromtengelyű ellipszoid vagy körtéhez hasonló is. A különlegesen deformált atommagokhoz egzotikus mozgásformák kapcsolódhatnak. A háromtengelyű ellipszoid alakú atommagban királis vagy imbolygó forgás is létrejöhet. Királis forgás során a forgó atommag magtörzsének, valamint az aktív (párosítatlan) valencia-nukleonoknak egymásra merőleges perdületvektorai jobb- illetve balsodrású rendszert alkotnak. A különleges forgás eredményeként két, szinte azonos gerjesztési energián levő, azonos belső szerkezettel rendelkező, mágneses dipól gamma-átmenetekkel összekapcsolt sáv jelenik meg. Kiralitást először az egy aktív valencia-protont és egy aktív valencia-neutront tartalmazó páratlan-páratlan atommagokban, majd később a három aktív valencia-nukleonnal rendelkező egyszer páratlan tömegszámú atommagokban figyeltek meg. A legújabb kutatások szerint több királis szerkezet is létrejöhet egy adott atommagban, amelyek különböző aktív valancia-nukleon számnak, vagy azonos valancia-nukleon számnak de különböző konfigurációnak, vagy azonos konfiguráció különböző gerjesztettségének felelnek meg.

Háromtengelyűen deformált atommagok a 100-as tömegszám-tartományban is előfordulnak. Az elméleti számítások többszörös kiralitás megjelenésének lehetőségét jósolják ebben a tartományban, melyet alátámaszt a régió több atommagjában feltárt királis sávszerkezet. Az előrejelzéseknek megfelelően sikerült többszörös királis szerkezetet megfigyelni a páratlan tömegszámú ¹⁰³Rh atommagban, de a várakozásokkal ellentétben még nem találtak többszörös királis sávpárokat a páratlan számú protonnal és páratlan számú neutronnal rendelkező  atommagokban ebben a magtartományban.

A debreceni HUN-REN Atommagkutató Intézet (HUN-REN ATOMKI) kutatói több mint két évtizede vesznek részt a háromtengelyűen deformált atommagokban fellépő magszerkezeti jelenségek kutatásában. A nemzetközi együttműködés keretében elvégzett kísérletben a páratlan számú protonnal és páratlan számú neutronnal rendelkező ¹⁰⁴Rh atommag forgásait vizsgáltuk.

A kísérlet során a ¹⁰⁴Rh atommag közepes és nagyspinű gerjesztett állapotait a ⁹⁶Zr(¹¹B, 3n) reakcióban, a Gammasphere spektrométer segítségével vizsgáltuk. Az átmenetek koincidencia-kapcsolatai, intenzitás- és energiamérlegei, valamint szögeloszlásuk vizsgálata segítségével a ¹⁰⁴Rh atommag korábban ismert nívósémáját jelentősen kibővítettük, új forgási sávokat azonosítottunk. Az atommag gerjesztett állapotaihoz rendelt gamma-átmenetek nagy részének meghatároztuk a multipolaritását. A már ismert királis sávpár mellett egy újabb, szintén királis jellemzőket mutató sávpárt azonosítottunk.

A megfigyelt sávszerkezetek jellemzőit elméleti modellekre (CDFT, TAC-CDFT, PRM) alapozott számításokkal vetettük össze. Ezek jó leírását adták a kísérleti észleléseknek. A számítások eredményei igazolták, hogy mind a két sávpár királis és különböző belső szerkezettel rendelkeznek: a már ismert királis sávpárban a g_9/2 pályán levő aktív valencia-proton mellett az  aktív valencia-neutron a h_11/2 pályán helyezkedik el, míg az újonnan talált sávpárban ugyanolyan proton konfiguráció mellett kettő aktív valencia-neutron a g_7/2 és egy aktív valencia-neutron a h_11/2 pályán van. Ezzel az első kísérleti bizonyítékát adtuk a többszörös kiralitás megjelenésének a páratlan számú protonnal és páratlan számú neutronnal rendelkező atommagokban a 100-as tömegszámtartományban.

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.