Atommagok különleges körülmények között  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
114454
típus NN
Vezető kutató Elekes Zoltán
magyar cím Atommagok különleges körülmények között
Angol cím Atomic nuclei in extraordinary conditions
magyar kulcsszavak radioaktívion-nyaláb, invariáns tömeg spektroszkópia, törperezonancia, háromnukleon-erő, héjzáródás, neutroncsillag, röntgenkitörés
angol kulcsszavak radioactive ion beam, invariant mass spectroscopy, pygmy resonance, three nucleon force, shell closures, neutron star, X-ray burst
megadott besorolás
Fizika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Magfizika
zsűri Fizika
Kutatóhely Tandetron Laboratórium (Atommagkutató Intézet)
résztvevők Csatlós Margit
Dombrádi Zsolt
Fülöp Zsolt
Halász Zoltán
Horváth Ákos
Kiss Gábor
Kunné Sohler Dorottya
Kuti István
Vajta Zsolt
projekt kezdete 2015-04-01
projekt vége 2019-03-31
aktuális összeg (MFt) 20.946
FTE (kutatóév egyenérték) 12.47
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az Univerzum robbanásos eseményeinek vizsgálata a nukleáris asztrofizika egyik húzóágazata manapság. Ezen katalkizmatikus folyamatok mögött rejlő magfizikai reakciók többsége rövid élettartamú izotópokon játszódik le, ezért ezeket csak radioaktív ionnyalábokkal lehet tanulmányozni. Azonban az elsőgenerációs gyorsítókkal mindezidáig viszonylag kevéssé tudtunk eltávolodni a stabilitás völgyétől, és a mérőeszközök teljesítőképessége is határt szabott a vizsgálható izotópok tartományának.

Japánban, a RIKEN kutatóintézetben már néhány éve működik egy újgenerációs radioaktívion-nyalábgyorsító (RIBF), melyhez hasonlónak az építésébe fogtak Európában és az Egyesült Államokban is. Ezek a berendezések a korábbi nyalábintenzitások akár ezerszeresét is szolgáltatni tudják, illetve olyan tartományokat nyitnak meg az atommagtérképen, melyekhez eddig nem fértünk hozzá. Ezzel párhuzamosan olyan detektorrendszerek kifejlesztésére került sor világszerte, csoportunk részvételével, melyekkel jelentősen növelhető a mérések hatékonysága és pontossága.

A projekt fő célkitűzése ezen egyedi, világszínvonalú ionyalábok és észlelőberendezések kombinálásával olyan, a nukleáris asztrofizikában is jelentős fizikai rendszerek és effektusok vizsgálata, melyek eddig elérhetetlenek voltak. Tanulmányozni kívánjuk a háromnukleon erőt, multineutron rendszereket, a törperezonanciát, illetve az asztrofizikai rp folyamat egzotikus várakozási pontjait.

Kutatásainkat elsősorban japán, egyesült-államokbeli, francia és német kollégákkal a SAMURAI együttműködés keretében végezzük a RIBF-nél. A projekt kísérleteit a RIKEN programtervező tanácsa jóváhagyta, tehát a kutatás végrehajthatósága biztosított.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Az asztrofizikai r és rp folyamat reakcióhálóját alkotó többezer atommag és rajtuk végbemenő magreakciók többségéről semmilyen kísérleti információval nem rendelkezünk. Az egzotikus magfizikai effektusok és rendszerek e folyamatok útját jelentősen átírhatják.

A mágikus számok változása extrém neutron/proton arányú atommag-tartományban magyarázhatja a számolt és megfigyelt, r folyamat által kialakított elemgyakoriságok közötti különbséget. Ezt kívánjuk vizsgálni messze a neutronelhullatási vonalon túl. Választ adhatunk arra a régóta fennálló kérdésre, hogy a háromnukleon erő mekkora szerepet játszik az atommagok szerkezetének kialakításában, illetve hogy létezhetnek-e olyan különleges képződmények, mint a tetraneutron.

Az r folyamatban központi neutronbefogás valószínűségét nagymértékben megváltoztatja az egzotikus, törperezonancia jelenléte. A neutrongazdag ionok dipólválasza a maganyag állapotegyenletében szereplő szimmetrienergia sűrűségfüggésére adhat megszorítást. Ez a szimmetriaenergia lehet felelős a nemrég felfedezett, a Naptömeg kétszeresével rendelkező neutroncsillagok létéért, és alapvetően meghatározza az energiakibocsátást II. típusú szupernóvákban. Ezekre a kérdésekre keressük a válaszokat a 68Ni és 48,50,52Ca atommagok vizsgálata során.

A kettőscsillagok röntgenkitörése Galaxisunk leggyakoribb robbanásos jelensége. Mégis, megfigyelhető tulajdonságaikat csak nagyjából tudjuk értelmezni. A tapasztalt, anomális (többcsúcsú, extrém hosszú) fénygörbék mögött rejlő atommagfizikai okokat kis/negatív protonbefogási Q értékkel rendelkező atommagokra, az rp folyamat várakozási pontjaira vezetik vissza. Ezek közül kívánjuk vizsgálni a 34Ar és 64Ge izotópokat.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Kísérleteink segítségével az atommagfizika és a nukleáris asztrofizika néhány fontos jelenségét és reakcióját vizsgáljuk. A RIKEN radioaktív ionnyalábjainak egyedülálló intenzitása illetve a rendelkezésre álló világszínvonalú berendezések felhasználásával az asztrofizikai r és rp folyamatok megértése felé tehetünk alapvető lépéseket. Elsősorban az idáig kevéssé ismert és tanulmányozott rp folyamat vizsgálata terén nyithatunk új kutatási irányt RIKEN-MTA Atomki együttműködésben, melybe további intézeteket is be kívánunk vonni, akik elsősorban a kísérleti erőfeszítéseket hidrodinamikai modellezéssel segíthetik.

A projekt lehetővé teszi csoportunk létszámának bővítését és fiatalok toborzását. A projekt időtartama során lehetőség nyílik arra is, hogy további nyalábidő pályázatokat adjunk be az rp folyamat témakörében a SAMURAI kollaboráció keretein belül, ami megalapozhat egy igen hosszútávú közös munkát, mely nemcsak az idáig folytatott gamma-spektroszkópiára, de a nem kötött állapotok vizsgálatára is kiterjed.

A projekt alapkutatás jellegénél fogva nem rendelkezik közvetlen társadalmi hasznosíthatósággal, de a fiatalok képzése révén hozzájárul ahhoz, hogy az elengedhetetlen atommagfizikai tudással rendelkező nemzedék nőjön fel Magyarországon. Ezért a projekt közreműködője három posztdoktori kutató, akik most még jobban elmerülhetnek az atommagfizika jelentős kérdéseinek vizsgálatába. Ezentúl három egyetemi hallgatót is sikerült bevonni a projektbe, várhatóan ketten a méréseinkre alapozva szerezhetik meg a BSc, majd MSc fokozatukat, egy hallgató pedig az MSc képesítést. Utóbbinak remélhetőleg a projektben való részvétele PhD felvételét is fogja segíteni.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Amikor felnézünk az éjszakai égboltra egy csendes helyen, megbámulva a pislákoló csillagokat a hatalmas Világegyetemben, sokan eltűnődünk azon, hogyan és miből jött létre az emberiség. Néhányan, mint például Carl Sagan, úgy gondolják, hogy tudják a választ: "a csillagok anyagából vétettünk". Igazán fantasztikus elképzelni, hogy alkotórészeink csillagmáglyákból származnak, vagy olyan kataklizmatikus események, mint egy szupernóva résztvevői voltak valaha. Azonban egy fizikus számára még izgalmasabb kérdés az, hogy pontosan hogyan formálódtunk a csillaghamuból illetve az alkotórészeinknek milyen a szerkezete. Ez az, ami jelen kutatás hajtóerejét adja.

Vizsgálataink eredményeként közelebb juthatunk az Univerzumban tapasztalt elemgyakoriság magyarázatához, továbbá asztrofizikai objektumok, elsősorban neutroncsillagok és röntgenkitörések tökéletesebb leírásához. Méréseinket nemzetközi együttműködésben, a radioaktív ionnyalábokkal végzett kísérletek vezető intézetében, a Japánban található RIKEN kutatóintézetben végezzük. A projekt nemcsak az atommagfizikát segíti, de lehetőséget nyújt fiatal kutatók (posztdoktorok és egyetemi hallgatók) számára, hogy világszínvonalú kutatást végezhessenek a szakma elismert tudósaival összefogásban.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

One of the most important branch of nuclear astrophysics is the study of explosive events in the Universe. The nuclear reactions behind these cataclysmic events involve short-lived nuclei. Therefore, they can only be investigated by radioactive ion beams. However, the first generation of accelerators could enter regions relatively close to the valley of stability so far, and the capability of the detection systems set a limit on the reachable isotopes.

At RIKEN, Japan a new generation, radioactive ion beam accelerator complex (RIBF) was built some years ago, and similar facilities are under construction in Europe and the USA. The equipments can provide beam intensities even thousand times more than the present ones, and open up such region in the nuclear chart that were unavailable up to now. Parallel to these advancements, developments of detector arrays, that can unprecedentedly increase the efficiency and precision of measurements, have been carried out worldwide with a our significant contribution.

The main aim of the project is to combine these unique, state-of-art ion beams and detection devices in order to investigate physical systems and effects of nuclear astrophysics relevance which have been unavailable earlier. We intend to study the three nucleon force, multineutron systems, the pygmy resonance and the exotic waiting points in the astrophysical rp process.

The research is to be performed at RIBF in an international collaboration (SAMURAI) with colleagues from Japan, USA, France and Germany. The experiments included in the project has already been accepted by the RIKEN Program Advisory Committee, therefore the feasibility of the project is ensured.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Most of the properties of the thousands of nuclei and reactions forming the network of the astrophysical r and rp processes are experimentally unknown. The exotic nuclear effects and systems might significantly alter the path of these processes.

The melting of shell closures in the region of nuclei with extreme neutron/proton ration can explain the differences in the expected and measured r process abundances. We study this far beyond the neutron drip line. We might answer the long-standing question on the role of three nucleon forces in structuring the nucleons into atomic nuclei as well as whether strange systems like tetraneutron can exist in Nature.

The presence of the exotic pygmy dipole resonance in neutron rich nuclei can greatly influence the probability of the neutron capture playing a central role in the r process. The electric dipole response of neutron rich nuclei can constrain the density dependence of the symmetry energy of the nuclear equation of state (EOS). This symmetry component of EOS might be responsible for the existence of the presently discovered neutron star with a mass of twice the Sun, and it essentially determines the energy output in type II supernovae. We seek answers for these questions by investigating 68Ni and 48,50,52Ca isotopes.

X-ray bursts of binaries are the most frequent stellar explosions in our Galaxy. Yet, the observable properties are not fully understood. The nuclear physics reasons behind the anomalous (multipeaked, long duration) characteristics can be traced back to nuclei with small/negative proton capture Q values, the waiting points (WP) of the rp process. 34Ar and 64Ge are two important WP nuclei to be studied.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

With the help of our experiments we intend to investigate some important phenomena and reactions of nuclear physics and nuclear astrophysics. Utilizing the unmatched intensity of the RIKEN radioactive ion beams and the available high-tech equipments, we can move forward to the understanding of astrophysical r and rp processes.
We can open a new research direction between RIKEN and MTA Atomki primarily for the rp process poorly known and experimentally little investigated so far. We plan to invite other parties to join our experimental efforts in order to mainly help with hydrodynamical modeling.

The project provides an opportunity to enlarge our group and involve young students. During the project we will have a possibility to submit more beam time requests on the rp process to the RIKEN PAC in a collaboration with the SAMURAI members, which can establish a long-term cooperation that is based not only on gamma spectroscopy, that we carried out at together with RIKEN so far, but also the study of unbound nuclear states.

Since the project includes fundamental physics it does not have a direct societal application. However, with the training of young researchers it helps to maintain the unavoidable nuclear physics knowledge of the next generation in Hungary. Therefore, three postdoctoral fellows joined the project who can get deeper insight into the basic questions of nuclear physics. Furthermore, three university students enter our group, two of them hopefully receives their BSc and later MSc degrees based on the present experiments while one of them can write his Master thesis based on his work in the project. We expect that the latter person also enters the PhD school of University of Debrecen during the course of the project with a supervision by the principal investigator.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

When we look at the night sky at a silent place and stare at the glimmering stars in the vast Universe, many of us ponder how we came to existence and what we are made of. Some of us like Carl Sagan believe to have the answer: ``we are made of starstuff''. It is truly amazing to imagine that our building blocks originate from the bonfire of stars or once participated in cataclysmic events such as supernovae. However, the question of how exactly we are shaped from the ashes of stars and what the structure of those building blocks look like is even more intriguing to a physicist. This is what drives the present research.

As a result of our investigations we might get closer to to understand the abundance of elements observed in the Universe and to describe astrophysical objects, especially neutrons stars and X-ray bursts. We intend to perform the experiments in an international collaboration at RIKEN, the leading facility for physics with radioactive ion beams situated in Japan. The project would not only beneficial for nuclear physics but also could offer a possibility of young scientists (postdoctoral and university students) to take part in state-of-art experiments with knowledgeable researchers of the field.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A RIKEN radioaktív ionnyalábjainak egyedülálló intenzitása illetve a rendelkezésre álló világszínvonalú berendezések felhasználásával tíz rendkívül bonyolult és drága kísérletet végeztünk el, amelyek a nehéz elemek kialakulásáért felelős asztrofizikai r- és rp-folyamatokhoz kapcsolódnak. A neutrongazdag 76Ni atommag vizsgálatával kimutattuk, hogy a stabil atommagtartományban megszokott, 28-as protonszámnál jelentkező héjzáródás megmarad az 50-es neutronszám körül. Az instabil atommagok között felfedezett 16-os neutronszámnál jelentkező héjzáródás vizsgálatát kiterjesztettük a nem kötött alapállapotú atommagok tartományára. Az atommagfizikát régóta foglalkoztató kérdést, a tetraneutron létezését tanulmányoztuk a nem kötött 28O atommag, illetve a 8He(p,pα)4n reakció vizsgálatával. Az r-folyamatban központi szerephez jutó neutronbefogás valószínűségét megváltoztató egzotikus törperezonanciát tanulmányoztuk az 50,52Ca atommagokban. A stabilitási völgy protongazdag oldalán található, neutronbefogással nem létrehozható atommagok keletkezésében kulcsfontosságú 8Be(p,g), 64Ge(p,g) és 65As(p,g) magreakciókat vizsgáltuk. A projekt során egy vákuumkamrát és a felhasznált helyérzékeny szilíciumdetektorokhoz előerősítőket fejlesztettünk és nyolc magyar diákot vontunk be a kutatásokba. Ketten már elkezdték magfizikai PhD tanulmányaikat, és egy hallgató pedig idén felvételizik magfizikai PhD képzésre. A RIKEN programtervező tanácsa egy újonnan beterjesztett kísérletünket elfogadta.
kutatási eredmények (angolul)
The unique intensity of the radioactive ion beams of RIKEN and the world-class facilities available on site allowed us to perform ten complex and expensive experiments which are related to the astrophysical r and rp processes responsible for the creation of heavy elements in the Universe. By studying the neutron-rich 76Ni nucleus, we showed that the shell closure at proton number 28, standard among the stable nuclei, remained intact around neutron number 50. We extended the investigation of the shell closure at neutron number 16 recently discovered among unstable nuclei to the region of nuclei with unbound ground state. We studied a long-standing question of nuclear physics, the existence of tetraneutron by investigating 28O nucleus and the 8He(p,pα)4n reaction as well as the exotic pygmy resonance in 50,52Ca nuclei that might significantly change the neutron capture playing a key role in the r-process. We investigated the 8Be(p,g), 64Ge(p,g) és 65As(p,g) reactions crucial in the creation of nuclei, not available for neutron capture, located at the proton-rich side of the valley of stability. During the project we developed a vacuum chamber and preamplifiers for the position sensitive silicon detectors applied at the experiments, as well as involved eight Hungarian students in the research. Two of them already started their Ph.D. and one of them applies for a Ph.D. position in nuclear physics. The Program Advisory Committee of RIKEN accepted our newly submitted proposal.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=114454
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Z. Elekes et al.: Nuclear structure of 76Ni from the (p,2p) reaction, Physical Review C, 2019
V. Panin, K. Yoneda, T. Uesaka, M. Kurokawa, T. Motobayashi, Z. Elekes, A. Saastamoinen, B. C. Rasco: Smulations for experimental studies of breakup reactions on neutron-deficient isotopes relevant to the astrophysical rp-process, RIKEN Accelerator Progress Report, 2015
Y. Kondo, et al.: Spectroscopy of unbound oxygen isotopes II, RIKEN Accelerator Progress Report, 2016
V. Panin et al.: Performance test of the silicon tracker for the heavy-ion-proton experiments at SAMURAI, RIKEN Accelerator Progress Report, 2016
V. Panin et al.: Development of the He-filling system for the SAMURAI spectrometer, RIKEN Accelerator Progress Report, 2016
V. Panin et al.: Helium filling method for SAMURAI spectrometer, RIKEN Accelerator Progress Report, 2017
V. Panin et al.: Simulations for experimental studies of breakup reactions on neutron-deficient isotopes relevant to the astrophysical rp-process, RIKEN Accelerator Progress Report,, 2015
C. Caesar et al.: Measurement of the neutron-decay lifetime of the 26O ground state at the SAMURAI setup at RIBF, RIKEN Accelerator Progress Report, 2017
C. Lehr et al.: Low-energy dipole response of the halo nuclei 6,8He, RIKEN Accelerator Progress Report, 2018
Y. Togano et al.: Electric dipole responses of 50Ca and 52Ca, RIKEN Accelerator Progress Report, 2018
V. Panin et al.: Development and test of the dual-gain ASIC preamplifier boards for the GLAST silicon-strip detectors, RIKEN Accelerator Progress Report, 2018
F. Dufter et al.: A silicon vertex tracker for the 8He(p, pα)4n reaction, RIKEN Accelerator Progress Report, 2018
F. Schindler et al.: Investigation of the tetraneutron by quasi-free α-knockout from 8He, RIKEN Accelerator Progress Report, 2018
J. Kahlbow et al.: Experimental campaign using the NeuLAND demonstrator at SAMURAI, GSI-FAIR SCIENTIFIC REPORT, 2017
V. Panin et al.: New Generation of Experiments for the Investigation of Stellar (p, γ) Reaction Rates Using SAMURAI, Nuclear Physics Review, 2016
V. Panin et al.: Simulations for experimental studies of breakup reactions on neutron-deficient isotopes relevant to the astrophysical rp-process, RIKEN Accelerator Progress Report, 2015





 

Projekt eseményei

 
2020-02-10 16:21:19
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Örökségtudományi Laboratórium (Atommagkutató Intézet), Új kutatóhely: Tandetron Laboratórium (Atommagkutató Intézet).




vissza »