Nukleáris asztrofizika hétköznapi szemmel

A Visegrádi Akadémiák Ifjúsági Díjának magyar nyertese idén Gyürky György, az MTA Atommagkutató Intézet kutatója. A kutatási körülményekről, intézeti munkájáról az mta.hu honlap kérdezte a fiatal fizikust.

Meglepte a díj, vagy az eddig elért eredmények alapján nemzetközi elismerésre is lehetett számítani?
- Meglepett a díj, ugyanis tudomásom szerint, mint ez ki is derült később, a visegrádi országok közül csak egy kutató kaphatja meg, ezért elég erős a mezőny. Egyúttal örültem is neki, hogy az idei kiírás értelmében a kitüntetést a fizika és csillagászat tudományterületén osztották ki. Talán azért is választottak engem erre a díjra, mert kutatási területem, a nukleáris asztrofizika, valahol kapcsolatot teremt a csillagászat és a fizika között. Tehát talán maga a téma is alkalmas arra, hogy egy ilyen területen kiírt pályázaton nyertes legyen.

Gyürky György

2001-ben védte doktori dolgozatát, 2002-ben Bolyai-ösztöndíjas volt, 2005-ben pedig Akadémiai Ifjúsági Díjban részesült. Az eddigi eredményeket szervesen egymásra építve, ugyanabban a témakörben érte el. Tekinthetjük ennek a kutatási folyamatnak újabb eredményeként a mostani szakmai sikert?
ATOMKInukleáris asztrofizikai kutatócsoportjaAtommagkutató Intézet gyorsítóival

A másik fontos terület a tágabb értelemben vett "Luna-együttműködés" keretében végzett munkánk volt. Ez az együttműködés egy jelenleg is tartó német-olasz-magyar közös kutatás, melyben magyar részről a mi csoportunk vesz részt. Ennek célja szintén asztrofizikai jelentőségű magreakciók vizsgálata, de olyan módon, hogy az extrém alacsony hatáskeresztmetszetű reakciókat tudjuk tanulmányozni. Éppen ezért ez a munka Olaszországban, a gran sasso-i földalatti laboratóriumban folyik, ahol a mintegy 1500 méteres föld alatti mélység teszi lehetővé, hogy a kozmikus sugárzást teljesen kiszűrjük. Tehát olyan folyamatokat is vizsgálhatunk itt, amilyenekre egy földfelszínen található laboratóriumban nem volna lehetőségünk. A több mint tíz éve folyó közös kutatás során számos, az asztrofizika szempontjából kiemelten fontos magreakció vizsgálatában volt lehetőségünk résztvenni.

Egy kicsit oldalágon, de ehhez a témához kapcsolódik még az elektronárnyékolás jelenségének vizsgálata is, amit szintén egy külföldi intézetben, a Bochumi Egyetem laboratóriumában végeztünk. Ez szintén nagyon fontos jelenség a nukleáris asztrofizikára jellemző alacsony energiás magfizikai vizsgálatokat illetően.

A három különböző asztrofizikai kutatási területet a laikus olvasó számára távolinak tűnhet. Lehetne-e azokat mégis kézzelfoghatóbban megközelíteni?
- Ha legegyszerűbben szeretnénk kifejezni, akkor a nukleáris asztrofizika két alapvető kérdésre keresi a választ. Az egyik az, hogy miért világít a Nap, vagyis a csillagok energiatermelésének a titkait kutatjuk. A másik kérdés, hogy a világegyetem miért úgy épül fel, ahogyan. Tehát a világegyetemben található kémiai elemek miért épp ilyen mennyiségben találhatók. Ezt a kérdést néha azzal a hasonlattal szoktam közelíteni, hogy miért drágább az arany a vasnál. Nyilván azért olcsóbb a vas, mint az arany, mert sokkal több található belőle a Földön. A nukleáris asztrofizika célja éppen az, hogy megmagyarázza ezt a bizonyos elem-eloszlást, választ adjon arra a kérdésre, miért található bizonyos kémiai elemekből sok, másokból pedig kevés.

A 20. században a magfizika és az asztrofizika fejlődésével világossá vált, hogy a csillagok belsejében az energiatermelésért is, és az elemszintézisért is a magreakciók a felelősek. Különböző atommagok reakciói során egyrészt energia szabadul fel, másrészt pedig új elemek jönnek létre, ezek vizsgálatával érthetjük meg jobban a csillagok belsejében lejátszódó folyamatokat.

A tudományág első fontos kérdése az energiatermelés. Ez egy Naphoz hasonló, úgynevezett fősorozatbeli csillag esetén úgy zajlik, hogy négy hidrogén atommagból, vagyis négy protonból keletkezik egy hélium atommag és ebben a folyamatban igen nagy energia szabadul fel. Ez garantálja, hogy a Nap sok milliárd éven keresztül termeli az energiát és így biztosítja a földi életet. Ez a folyamat azonban nem egy lépésben megy végbe, hanem a négy proton hélium atommá történő fúziója számos közbenső magreakción keresztül zajlik le. Ezek azok a reakciók, melyeknek a tanulmányozása földi körülmények között, gyorsítók segítségével zajlik.

A másik téma az elemszintézis. A magfizikai kutatások fejlődésével ma már elég jól le tudjuk írni azokat a folyamatokat, amelyek a világegyetemben található kémiai elemek szintéziseiért felelősek. Ez igen összetett folyamat, számos alfolyamatra osztható, a részletekre nincs lehetőség kitérni, de fontos megemlíteni az asztrofizikai p-folyamatot, mely nehéz elemek protongazdag izotópjainak keletkezéséért felelős. Sokáig az elemeknek ez a csoportja rejtélyes volt a kutatók számára, különösen az izotópok létrejöttét illetően. Manapság már létezik egy elfogadott modell, ami ezen izotópok keletkezésére szolgálhat magyarázatul, de számos megválaszolatlan kérdés maradt ebben a témakörben is. Bizonyos magreakciók tanulmányozásával a problémák talán megválaszolhatókká válnak, és közelebb juthatunk a folyamat megértéséhez.

Az említett kísérletek mennyire tekinthetők rutinszerűnek, illetve mennyire van lehetőségük új dolgok felfedezésére? Lehet-e a tudományterületen formabontó, új felfedezést tenni?
- A mi vizsgálataink egy átlagos hétköznapon közelebb állnak a magfizikához, mint az asztrofizikához. Tehát mi magreakciókat tanulmányozunk a részecskegyorsítóval és később esetleg ennek az eredményeképpen vonunk le asztrofizikai következtetéseket. Épp ezért a vizsgálatok speciális igényt kell, hogy kielégítsenek. Általában jellemző a nukleáris asztrofizikára, hogy a folyamatokat alacsony energián kell vizsgálni. Ugyanis a csillagok belsejében nagy hőmérséklet uralkodik, de ez magfizikai szempontból mégis alacsony energiának tekinthető. Sokkal alacsonyabb energiaszinten játszódnak le itt a folyamatok, mint az egy átlagos, konvencionális magfizikai kutatásban előfordul. Nyilván az a célunk, hogy amennyire lehetőségünk van, a magreakciókat abban az energiatartományban vizsgáljuk, amilyenben a csillagok belsejében ténylegesen lejátszódnak. Itt azonban rögtön szembesülünk egy nehézséggel. Alacsony energiaszinten a töltött részecskék által kiváltott magreakciók extrém alacsony hatáskeresztmetszettel, vagyis nagyon alacsony valószínűséggel fordulnak elő és játszódnak le. Ennek köszönhető egyébként, hogy Napunk is több milliárd évig sugározza az energiát, nem pedig hidrogénbomba-szerűen felrobban, ugyanis a benne lejátszódó folyamatok igen lassan zajlanak le. Ami előnyös a Nap esetében, az azonban komoly kihívást jelent egy kísérleti fizikus számára: ezeket az igen alacsony valószínűségű magreakciókat kell földi körülmények között tanulmányozni.

Egyrészt tehát fontos észrevennünk, hogy alacsony energiás magreakciók vizsgálatához kis részecskegyorsítókra van szükség, nem szükséges óriási energiát biztosító nagy berendezések használata. Éppen ezért egy ilyen intézet, mint a miénk itt Debrecenben, alkalmas ezeknek a kutatásoknak az elvégzésére. Másrészt viszont a reakciók igen alacsony hatáskeresztmetszete miatt számos kísérleti nehézség is felmerül, amiket meg kell tudni oldani.

Ezekben a vizsgálatokban születnek olyan eredmények is, amelyek esetleg fontosak lehetnek a fizika más területein is, vagy esetleg technikai fejlesztéseket is jelenthetnek. Egy példát említve, az előbb szóba került az elektronárnyékolás jelensége, ami igen alacsony energiaszinten befolyásolja a magreakciók lejátszódásának valószínűségét. Ilyen irányban is kiterjedt vizsgálatokat folytattunk az elmúlt években, és ennek egy érdekes következménye, hogy ez a jelenség hatással lehet különböző radioaktív izotópok felezési idejére. Azt találtuk, hogy bizonyos modellek úgy tudják megmagyarázni a mérési eredményünket, hogy közben jóslatot tesznek arra, hogy radioaktív izotópok különböző hőmérsékleten, illetve különböző közegekben elhelyezve megváltoztatják a felezési idejüket. Tehát például egy radioaktív izotóp felezési ideje lerövidül, ha megfelelő körülmények közé helyezzük el ezt az izotópot. Mondanom sem kell, hogy ez milyen jelentőségű, az asztrofizikán kívül, a tudomány más területein is, vagy akár a mindennapokban. Az atomerőművekkel kapcsolatos állandó gond a radioaktív izotópok tárolása. Ha valamilyen módon sikerülne a radioaktív izotópok felezési idejét lerövidíteni, akkor ezek a problémák megoldódhatnának egy ilyen technika segítségével.

Nem állítom, hogy a mi kísérleti eredményeink segítségével már meg is találtuk volna a megoldást, de mindenesetre érdekes következménye a vizsgálatainknak, hogy az izotópok felezési ideje is bizonyos körülmények között változhat, ami hosszú távon hatással lehet a radioaktív hulladékok problémájára is.