Az univerzum történetében a kémiai elemek létrejöttének első fázisa közvetlenül az ősrobbanás után játszódott le, amikor a legkönnyebb elemek, főként hidrogén és hélium keletkeztek. Ez az úgynevezett primordiális nukleoszintézis kozmológiai információt is hordoz. A világegyetemben csillagászati módszerekkel megfigyelt könnyűelem-gyakoriságok összehasonlíthatók a nukeloszintézis modellek jóslataival, így többek között a modellek bemenő adatai, bizonyos kozmológiai paraméterek is ellenőrizhetők. Nem ismertek azonban megfelelő pontossággal a folyamatban lejátszódó magreakciók hatáskeresztmetszetei, ami gátolja az összehasonlítást. Az egyik, a világegyetemben található deutérium gyakoriságát meghatározó magreakció a d(p,γ)³He folyamat, ami eddig nem volt kellőképpen ismert.

A LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) nemzetközi együttműködés az olaszországi Gran Sasso nemzeti laboratóriumban üzemletetett, világviszonylatban is egyedülálló mély földalatti gyorsítóval vizsgálta ezt a reakciót. A földalatti laboratóriumra jellemző extrém alacsony kozmikus háttérsugárzás miatt a reakció hatáskeresztmetszetét minden korábbinál pontosabban sikerült megmérni az ősrobbanásra jellemző energiatartományban.

A nagy pontosságú adatoknak köszönhetően a nukleoszintézis modellek erősebb megszorítást tudnak adni olyan fontos kozmológiai paraméterekre, mint például a korai univerzumra jellemző barionsűrűség. Az új eredmények kiválóan egyeznek a mikrohullámú háttérsugárzás elemzéséből számított sűrűséggel, ami így az ősrobbanás modellek helyességének fontos megerősítését jelenti.

A Keleti-Kárpátok neogén-negyedidőszaki vulkáni vonulata mentén, számos ásványvíz forrás található. Legtöbbjük magas CO₂-tartalmú, különböző típusú természetes forrás, amelyek a CO₂-gázkibocsátásokhoz kapcsolódnak. A helyi lakosság ezeket a forrásokat „borvizeknek” nevezi, mert a vizet gyakran CO₂ buborékok kísérik.

A Keleti-Kárpátok vulkáni vonulata és az Erdélyi-medence üledékes összleteinek találkozásánál 121 ásványvíz forrást és kutat mintáztunk. Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk a vizek eredetét és felderítsük a fizikai és kémiai tulajdonságokért felelős természetes folyamatokat. Továbbá ellenőriztük a hidrogeológiai rendszer kitettségét és sérülékenységét az esetleges szennyezőkre és a környezeti változásokra.

Vizsgálatunk, beleértve a fő vegyi komponenseket és a vizek stabilizotóp-összetételét, arra mutatott rá, hogy a felszín alatti vizek különböző folyamatokon mennek át a beszivárgás után. A víz, a vulkáni vonulatának nyugati peremétől az Erdélyi-medence irányába hosszú utat tesz meg, ami alatt fokozatosan alkalmazkodik a változó földtani környezethez. A víz útját végigkövetve szemtanúi lehetünk az ásványvizek összetételének alakulásának, a kalcium-magnézium-bikarbonát típustól a magas oldott-anyag tartalmú nátrium-klorid típusú ásványvizekig. Ez az átalakulás a kőzetek változásával egyszerre megy végbe, jelezve a folyamatos kölcsönhatást a kőzet és a felszín alatti víz között. A vízben oldott, különböző eredetű (légköri, utóvulkáni, szerves) gázok jelenléte különleges tulajdonságokkal ruházza fel az itteni ásványvizeket, amelyeket ivókúrára és gyógyászatban egyaránt lehet hasznosítani.

A geokémiai jellemzők további változásai a különböző víztípusok keveredésnek tulajdonítható, amelyet a terület szerkezetföldtani jellemzői befolyásolnak. A stabilizotóp-összetételek alapján a vizek csapadékvíz eredetűek, azaz utánpótlódásuk a csapadékvízből történik. Különlegesebb, emelkedett δ¹⁸O és δD stabilizotóp-összetételt mutatott néhány sós, CO₂-tartalmú ásványvíz. Ezeket az extrém összetételeket a víz agyagásványokkal való kölcsönhatásának és a kőzetképződési folyamatoknak tulajdonítottunk.

Figyelembe véve, hogy ezen vizek többsége csapadékvíz eredetű, vízhozamukat a meteorológiai tényezők befolyásolják, a sekélyebb talajvizekkel való keveredés növelheti szennyező anyagoknak való kitettségüket.

Ismeretes, hogy az erősen kölcsönható anyagban elegendően magas hőmérsékleten a nukleonokat alkotó kvarkok szabaddá válnak, létrejön a kvark-gluon plazma. Az átmenet során a legalacsonyabb kvarkállapotok lokalizálódnak, a szilárdtestfizikából ismert Anderson-típusú lokalizációs átmenet zajlik le. Nem világos azonban, hogy van-e kapcsolat a bezáró-nembezáró illetve a lokalizációs átmenet között. Ennek vizsgálata két okból is nehéz. Egyrészt míg a lokalizációs átmenet egy jól meghatározott hőmérsékleten, hirtelen megy végbe, a bezáró-nem bezáró átmenet egy 20-30 MeV szélességű hőmérséklet-tartományban fokozatosan történik. Így annak a kérdésnek, hogy pontosan ugyanazon a hőmérsékleten történik-e a két átmenet, nincs értelme. A másik nehézség technikai jellegű: az erősen kölcsönható anyag rácsszimulációjához tipikusan használt diszkretizált Dirac-operátorok nem képesek pontosan leírni a természetben jelen lévő ú.n. királis szimmetriát, a lokalizációban érintett alacsony kvarkállapotok pedig épp erre a szimmetriára rendkívül érzékenyek.

Jelen munkában a fenti két problémát úgy oldottuk meg, hogy a lokalizációt az erős kölcsönhatás elméletének, a kvantum-színdinamikának (QCD) egy olyan módosított változatában vizsgáltuk, ahol a kvarkok tömege a valóságosnál jóval nagyobb. Itt ugyanis a bezáró és nem bezáró fázist egy élesen meghatározott hőmérsékleten végbemenő fázisátalakulás választja el. Így tudtuk vizsgálni azt a kérdés, hogy a bezáró-nembezáró illetve a lokalizációs átmenet ugyanazon hőmérsékleten következik-e be. A királis szimmetria problémáját pedig úgy oldottuk meg, hogy a kvarkok leírására az ú.n. overlap Dirac-operátort használtuk, amely egzakt királis szimmetriával rendelkezik, de használata jóval nagyobb számolási kapacitást igényel, mint a Dirac-operátor egyszerűbb diszkretizációi. Munkánk fő eredménye, hogy a lokalizációs és a bezáró-nem bezáró átmenet pontosan ugyanazon a hőmérsékleten következik be. Ebből valószínűsíthető, hogy a két átmenet között a QCD-ben is mélyebb fizikai kapcsolat van, melynek felderítése további vizsgálataink tárgyát képezi.

A csillagok – mint például Napunk – belsejében az egyre nehezebb kémiai elemek fúziós reakciók sorozata révén keletkeznek. Az elemszintézis e láncolatának első lépése során négy hidrogén mag alakul héliummá. A folyamat kétféleképpen, a proton-proton (p-p) lánc illetve a szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklus révén mehet végbe. Előbbi reakcióhálózat egyik kulcsreakciója a ³He(α,γ)⁷Be reakció.

Ugyan a ³He(α,γ)⁷Be mind elméleti mind, kísérleti szempontból az egyik legintenzívebben tanulmányozott magreakció, mégis a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban a reakció hatáskeresztmetszete az asztrofizikai modellek ellenőrzéséhez szükségesnél lényegesen nagyobb bizonytalansággal ismert. A jelentős bizonytalanság oka, hogy az alfarészecske-befogás valószínűsége az asztrofizikailag releváns energiatartományban igen alacsony, a hatáskeresztmetszet pikobarn nagyságrendű. A reakció közvetlen mérésére a jelenlegi kísérleti technikákkal nincs lehetőség, tehát a reakciót magasabb energiákon vizsgáljuk, majd az eredményeket magmodellek figyelembevételével extrapoláljuk. A rendelkezésre álló hatáskeresztmetszet adatok jellemzően közvetlen, in-beam illetve, aktivációs technikával kivitelezett mérésekből származnak.

Ismert azonban, hogy a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban a reakció úgynevezett direkt befogás révén megy végbe, így lehetőség van a hatáskeresztmetszet meghatározására egy közvetett módszerrel, az úgynevezett aszimptotikus normalizációs koefficiens (ANC) technikával is. A direkt befogás hatáskeresztmetszete arányos a transzfer reakciók tanulmányozása révén meghatározható ANC négyzetével. Kísérletileg a ⁶Li(³He,d)⁷Be reakciót tanulmányoztuk: a ⁶Li lazán kötött, klaszter szerkezetű atommag, bizonyos feltételek teljesülése esetén deuteronra, illetve alfa részecskére esik szét. Amennyiben ez a bombázó ³He mag felszínéhez igen közel történik meg, akkor alfarészecske-átadás révén ⁷Be mag jön létre hasonlóan ahhoz, ahogy a folyamat a csillagok belsejében végbemegy. A kísérlet során a deuteronok szögeloszlásának mérésével rekonstruáltuk a klaszterszerkezet felhasadásának, illetve az alfarészecske-befogásának a mechanizmusát és meghatároztuk a reakció hatáskeresztmetszetét a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban.

Komplex fizikai rendszer együttes viselkedése nem értelmezhető csupán a rendszer egyes részeinek viselkedésének az ismeretében. A kvantummechanikában ez abban nyilvánul meg, hogy a kvantumrendszerek leírásához szükséges bizonyos fizikai mennyiségek nem additív tulajdonságúak. Az aktiválás jelenségét képletesen a „0 + 0 > 0” egyenlőtlenséggel írhatjuk le: két rendszer külön-külön nem rendelkezik valamilyen tulajdonsággal, azonban a két rendszert együtt tekintve már rendelkeznek ezen tulajdonsággal. Ilyen mennyiségre példa a kvantumcsatorna információátvivő kapacitása. Létezik olyan kvantumcsatorna, amely önmagában véve nem használható információ továbbítására, de ezen csatorna két vagy több példányát véve, együttesen már képesek információt továbbítani.

A cikkben a fenti aktiválás jelenségét mutattuk ki kvantummetrológiai kontextusban. A kvantummetrológia alapfeladatában kvantumrendszerek egyes paramétereit a lehető legnagyobb érzékenységgel szeretnénk megbecsülni, amely feladathoz többrészecskés kvantumállapotokat használunk fel. A mellékelt ábra egy mérési folyamat három lépését mutatja: (i) a ρ kvantumállapot előkészítése, (ii) ezen kvantumállapot kölcsönhatásba hozása a mérni kívánt rendszerrel, (iii) mérés végrehajtása a ρ_ϴ kimenő állapoton, majd a mérési eredményből következtetünk a rendszer ϴ paraméterének értékére.

A cikkben olyan ρ összefonódott kvantumállapotot tekintettünk, amely bizonyíthatóan nem hasznos metrológiailag. Ezalatt azt értjük, hogy összevetve ezen ρ állapotot a klasszikusan korrelált (ún. szeparálható) állapotokkal, a ϴ paraméter becslési pontossága ρ segítségével nem növelhető. Ugyanakkor ezen ρ állapotnak a két példányát véve az együttes állapot már metrológiailag hasznossá válik. A metrológiai hasznosság aktiválását abban az esetben is sikerült kimutatnunk, ha a ρ állapot egyetlen példányához egy tiszta állapotú, ún. ancilla qubitet adtunk. Ezen aktiválás jelenségének a feltárásához egy hatékony numerikus módszer fejlesztettünk ki, amellyel adott kvantumállapothoz megkereshető a legjobb metrológiai hatékonyságot adó rendszer lokális Hamilton-operátora. 

A nehéz elemek szintézisében, főként pedig az úgynevezett asztrofizikai p-folyamatban fontos szerepet játszanak az alfa-részecskék részvételével zajló magreakciók. A szupernóva-robbanásokban lejátszódó folyamat során - több milliárd fokon - a hőmérsékleti sugárzás által kiváltott (γ,α) reakciók sebessége jelentősen befolyásolja a folyamatban létrejövő nehéz elemek mennyiségét. Így a reakciósebességek kiszámítása és kísérleti ellenőrzése a sikeres asztrofizikai modellek szükséges feltétele.

A (γ,α) reakciók sebességét általában az inverz (α,γ) befogási reakciók kísérleti vizsgálatán és elméleti modellezésén keresztül számítják. Az asztrofizikailag légyeges, alacsony, mélyen Coulomb-gát alatti energiákon az (α,γ) reakciók számított hatáskeresztmetszete nagyon erősen függ a választott alfa-mag optikai potenciáltól, akár több nagyságrendnyi különbségek is adódhatnak különböző potenciálok használatával. Az energiatartomány sajátosságai miatt a potenciál képzetes részének magtörzstől távoli tartománya játssza a legfontosabb szerepet, ami mind kísérletileg, mind elméletileg nehezen vizsgálható, így az asztrofizikai modelleknek igen nagy az ebből származó bizonytalansága.

Jelen munkánkban egy alternatív eljárást javasoltunk az alfa-indukált reakciók hatáskeresztmetszetének számítására. A nagy bizonytalanságot hordozó komplex potenciál helyett egy tisztán valós potenciált alkalmazunk és a teljes reakció-hatáskeresztmetszetet az alagúteffektus valószínűségéből határozzuk meg. Meglepő módon ez az egyszerű modell igen jó visszaadja számos mért (α,γ) reakció hatáskeresztmetszetét anélkül, hogy a potenciál paramétereit az adott reakcióra kellene hangolni. Ez nagy előnyt jelent az asztrofizikai modellekben korábban alkalmazott, igen bizonytalan komplex potenciálok alkalmazásával szemben.

Cikkünkben módszerünk alkalmazhatóságát számos reakció esetén demonstráljuk, példaképpen pedig a p-folyamat szempontjából fontos ¹⁷⁶W(α,γ) ¹⁸⁰Os reakcióra pontos, a korábbi modellekhez képest lényegesen alacsonyabb reakciósebességet adunk meg.