A csillagok működésének, energiatermelésének, fejlődésének megértéséhez, valamint a világegyetemet felépítő anyag kémiai összetételének megmagyarázásához többek között a csillagokban zajló magreakciókat kell ismernünk. E reakciók kísérleti vizsgálata kisenergiás részecskegyorsítókkal lehetséges, azonban az ilyen kísérleti nukleáris asztrofizikai kutatásoknak egy, az atommagfizikában szokatlan nehézséggel kell szembenézniük.

A csillagokra jellemző hőmérsékleten a magreakciók nagyon lassan zajlanak, magfizikai szakkifejezéssel élve extrém alacsony a hatáskeresztmetszetük. Ezeknek az alacsony hatáskeresztmetszeteknek a mérése csak úgy lehetséges, ha megszabadulunk minden zavaró tényezőtől. Az egyik ilyen zavaró tényező a kozmikus háttérsugárzás által okozott háttér, ami elnyomhatja a vizsgált reakcióból származó gyenge jeleket. A kozmikus sugárzástól legjobban úgy lehet megszabadulni, ha a kísérletet mélyen a föld felszíne alatt végezzük, leárnyékolva így a zavaró sugárzást. Asztrofizikai szempontból fontos magreakciók tehát gyakran csak egy mély földalatti gyorsítóval vizsgálhatók hatékonyan.

Egészen a legutóbbi évekig mindössze egy mély földalatti gyorsító létezett, amit Olaszországban a LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) együttműködés üzemeltet. Negyedszázados működése során ennél a gyorsítónál számos asztrofizikai jelentőségű reakció hatáskeresztmetszetét tudtuk megmérni. A LUNA együttműködés sikerén felbuzdulva jelenleg már világszerte három másik helyen is zajlik nukleáris asztrofizikai kutatás földalatti gyorsítókkal.

Ebben az áttekintő cikkben főként a LUNA együttműködés technikáit és eredményeit felhasználva bemutatjuk a mély földalatti gyorsítóval végzett mérések sajátosságait, valamint azokat a módszereket, amikkel legjobban ki lehet aknázni egy ilyen helyszín által nyújtott egyedülálló lehetőségeket. Számos reakció példáján keresztül demonstráljuk, hogy milyen fontos asztrofizikai eredmények érhetők el a földalatti helyszín és a modern, gondosan kidolgozott kísérleti technika alkalmazásával.

Az elmúlt egy évtized anyagtudományi kutatásainak kiemelt célterülete a szintetikus perovszkitok optoelektronikai viselkedésének vizsgálata volt, amelyet elsősorban napelemekben és fénykibocsájtó eszközökben való alkalmazhatóságuk motivált. A perovszkit kristályokban külső gerjesztés hatására keltett töltéshordozók élettartama jelentősen nagyobb más félvezetőkhöz viszonyítva. Ennek oka a vezetési sáv energiaszintjeinek a speciális kristályrácsból eredő átrendeződése, melynek köszönhetően drasztikusan lecsökken a gerjesztett állapotok termikus relaxációjának valószínűsége. Alacsony exciton kötési energiák esetén ez teszi lehetővé a szabad töltéshordozók nagy kvantumhatásfokú kigyűjtését, míg a nagy exciton kötési energiák a radiatív rekombináció valószínűségét növelik. Ez utóbbi eset erős kvantumbezárással is megvalósítható félvezető nanokristályokban, viszont a felületi állapotok, mint lokalizált csapdák elfojtják a lumineszcenciát.

A perovszkit szerkezet másik nagy előnye, hogy a felületi állapotok és más kristályhibákból eredő csapdaállapotok energiája magasabb a sávéleken relaxált excitonokétól, így akkor is erősen lumineszkálnak, ha nano- vagy mikrokristályos formában állítjuk elő őket. Ezt a tulajdonságukat használtuk ki a Cs₃Cu₂I₅ és CsCu₂I₃ összetételű polikristályos rétegek radiolumineszcenciájának tanulmányozása céljából. Az irodalomban több tanulmány született már ennek az anyagkombinációnak röntgensugárzás hatására kiváltott lumineszcenciája témájában, viszont részecskesugárzások ilyen módszerrel, másnéven szcintillációval történő detektálására nem volt példa.

A Szegedi Tudományegyetem és az ATOMKI kutatói közötti együttműködés keretében végzett kutatások kimutatták a réz-alapú perovszkit vékonyrétegek sugárzásdetektálásra való alkalmasságát. A rétegek képesek a konvencionális szcintillátoranyagokkal versenyképes spektroszkópiai pontosságra, előnyösen kombinálva nanoszekundum alatti időzítési pontosággal. Emellett a rétegek külső, káros hatásokkal, úgymint szélsőséges hőmérsékletekkel vagy nagyintenzitású sugárzással szembeni ellenállóképesége is szembetűnő. A rétegek előállítása egy egyszerű és költséghatékony módszeren alapul, ami a számos előnyös tulajdonságaival együtt lehetővé teszi a részecskedetektálás szélesebb körben való alkalmazhatóságát.

A diszperzió alapvető jelentőséggel bír az ultragyors optikában. A csörpölt impulzuserősítés (Chirped Pulse Amplification) tette lehetővé a petawatt csúcsintenzitáson működő lézerek megjelenését, mely technika a diszperzió precíz kontrollján alapszik. Ugyancsak számos kutatás foglalkozott a diszperzió fotodisszociációra, a fotoelektronok hozamára, spektrumára, valamint szögeloszlására gyakorolt hatásával.

Ezen munka tárgyát képezte a magasabb rendű diszperzió ultragyors fotoionizációra, valamint a fotoionizáció vivő-burkoló (VB) fázistól függő tulajdonságaira gyakorolt hatásának vizsgálata a Klasszikus Trajektória Monte-Carlo (CTMC) módszer segítségével. A CTMC egy aktív elektront figyelembe vevő megközelítés, ahol az árnyékolt potenciálban mozgó elektron trajektóriáját számoljuk ki a lézer elektromos terének jelenlétében különböző kezdeti feltételek mellett. Számításainkhoz lineárisan polarizált, gaussi burkolójú, 7 fs és 4,5 fs félértékszélességgel, 800 nm központi hullámhosszal rendelkező impulzusokat tételeztünk fel. Vizsgálatainkhoz hidrogén, kripton, valamint nátrium atomokat vettünk alapul.

Megmutattuk, hogy a negatív másod-, harmad- és negyedrendű diszperziókkal rendelkező impulzusok magasabb ionizációs rátát és elektron energiákat eredményeznek a pozitív előjelű diszperziójú impulzusokhoz képest. Szintén megvizsgáltuk, hogy hogyan változtatja meg a diszperzió az ionizáció vivő-burkoló (VB) fázistól függő tulajdonságait. Ennek elengedhetetlen eszköze volt a bal-jobb aszimmetria meghatározása, amit a gerjesztő lézertér polarizációjával párhuzamosan az ionizált elektronok impulzusának előjele szab meg adott elektron energia és VB fázis mellett. Ezen értéket nátrium atomra kiszámolva azt találtuk, hogy az abszolút értékben vett csoportkésleltetés-diszperzió elmossa a VB fázistól való függést, azonban a bal-jobb aszimmetria sokkal kifejezettebb marad pozitív előjelű csoportkésleltetés-diszperzióval rendelkező impulzusokra. Rámutattunk, hogy ezen aszimmetria mértékét az ionizált elektronok által „észlelt” optikai ciklusok száma határozza meg, ugyanis a nagyobb számú optikai ciklus elmossa a VB fázistól való függést.

A Bell-egyenlőtlenségek sértése a kvantumvilág talán legmeglepőbb sajátsága. Ha két egymástól távoli megfigyelő méréseket végez egy kvantumrendszer részrendszerein, az eredményeik olyan korrelációkat mutathatnak, amelyek a klasszikus fizika szerint nem fordulhatnának elő. Az egyenlőtlenségek abból a kézenfekvő feltevésből következnek, hogy az egyik megfigyelő mérési eredménye nem függhet attól, hogy a másik megfigyelő a saját részrendszerén milyen mérést végez el. Ezért sértésükre a szakirodalomban nemlokalitásként hivatkoznak. Elvi jelentőségén túl fontos, hogy ezen a jelenségen alapulnak az úgynevezett eszközfüggetlen kvantumprotokollok (például kriptográfia), amelyek alkalmazása lehetővé teszi az akár megbízhatatlan forrásból származó eszközök elvárt működésének az igazolását.

Ha a rendszer egy pár összefonódott feles spin, a mérések a spinvetületek valamely térbeli irányokra való vetületei lehetnek. Tavakoli és Gisin (Quantum 4, 293, 2020) a közelmúltban olyan Bell-egyenlőtlenségeket konstruáltak, amelyek maximális sértését megvalósító mérések platóni testek, vagyis a legszabályosabb testek csúcsai irányába mutatnak. A platóni testek fogalma kézenfekvő módon kiterjeszthető háromnál különböző dimenziós terekre is (két dimenzióban ezek a szabályos sokszögek). A jelen cikkben a platóni Bell-egyenlőtlenségeket általánosítottuk ennek megfelelően. Természetesen, ha a mérések nem feles spinek vetületeire vonatkoznak, illetve ha több mint három dimenziós térről van szó, a mérési elrendezések szimmetriái egy absztrakt térben, és nem a fizikai térben jelennek meg.

Olyan jelenségeket is vizsgáltunk, például a sértés függését a megfigyelők mérési elrendezéseit jellemző testek relatív orientációjától, amelyekkel Tavakoli és Gisin nem foglalkoztak. Megállapítottuk, hogy a kvantumos érték meglepő módon független a relatív orientációtól, és kizárólag a mérési elrendezések számától és a tér dimenzionalitásától függ igen egyszerű módon. Bizonyítottuk, hogy ez valóban az elérhető maximális kvantumérték. Meghatároztuk, milyen feltétel teljesülése esetén van ez így. A klasszikusan elérhető érték, és ennek megfelelően a sértés mértéke függ a relatív orientációtól. Ennek egzakt meghatározása viszont nagyszámú mérési elrendezés esetén általában nem kivitelezhető a számítási igény exponenciális növekedése miatt. A platóni Bell-egyenlőtlenségekre sikerült hatékony számítási módszert találnunk, amely más esetekben is alkalmazható, ha bizonyos feltétel teljesül (a Bell-együtthatók mátrixának rangja alacsony).

További érdekes eredményünk, hogy sikerült bővíteni azon ismert Bell-egyenlőtlenségek meglehetősen szűk körét, amelyek maximális sértése meghaladja az úgynevezett CHSH egyenlőtlenségét.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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