A neutron-proton párkölcsönhatás létét bizonyító kísérletről számolt be a Nature-ben az a nemzetközi kutatócsoport, amelyben az MTA Atommagkutató Intézetének munkatársai jelentős súllyal vettek részt. A fizikusok kimutatták, hogy egyes, azonos számú protont és neutront tartalmazó nehéz atommagok szerkezetét olyan neutron-proton párok határozzák meg, amelyben a párt alkotó nukleonok azonos spin-beállással kapcsolódnak össze.
- Az atommag alacsonyenergiás viselkedését meghatározó egyik legfontosabb kölcsönhatás, az úgynevezett párkölcsönhatás, amelyet az azonos pályán mozgó, azonos típusú részecskék közötti csatolásként képzelhetünk el. A korábbi kísérleti és elméleti eredmények alapján ezek a párkölcsönhatások proton-proton vagy neutron-neutron párok között alakulnak ki, amint azt az ábra jobb felső része protonokra szemlélteti a 96-os palládium esetén - magyarázta a Nature-ben publikáló kutatócsoport egyik tagja, Nyakó Barna, az MTA Atommagkutató Intézetének (ATOMKI) tudományos főmunkatársa. A fizikus elmondta, hogy az azonos nukleonpályákon lévő protonok és neutronok a köztük ható erős kölcsönhatás miatt ugyanolyan erősen vonzzák egymást, mint az egyforma részecskék, így elméletben nemcsak proton-proton vagy neutron-neutron, hanem proton-neutron párok is kialakulhatnának az atommagban. - Az ilyen proton-neutron párok tényleges jelenlétére azonban mindeddig nem állt a kutatók rendelkezésére közvetlen kísérleti bizonyíték - hangsúlyozta az ATOMKI kutatója.
A magfizikusok szerint a proton-neutron párok elsősorban a nehéz, azonos proton és neutron számú atommagokban alakulhatnak ki, mivel ezekben a részecskék azonos, nagy impulzusmomentumú pályákon mozognak. A több európai tudományos intézet munkatársaiból álló kutatócsoportnak sikerült igazolni, hogy az azonos pályasíkban mozgó protonok és neutronok között akkor is felléphet párkölcsönhatás, ha spinjeik azonos irányba mutatnak, ellentétben az azonos típusú részecskékkel, amelyek csak úgy alkothatnak párokat, ha spinjeik ellentétes irányúak. - A spint leginkább úgy képzelhetjük el, mint a részecskék ellipszis pályán való mozgásához rendelt impulzusmomentumot, amely egy vektormennyiség, azaz iránya van - magyarázta Nyakó Barna. A fizikus rámutatott arra, hogy az olyan proton-neutron párok, amelyben a spinek azonos irányba mutatnak, összekapcsolódhatnak egy másik proton-neutron párral, amelynek a spinjei ellentétesek az előző pár spinjeivel. - Egy ilyen, két protont és két neutront tartalmazó négyes egy erősen korrelált kvartett rendszert alkot, mivel egyszerre érvényesül benne a proton-proton, neutron-neutron és a proton-neutron párkölcsönhatás - mondta fizikus.
Az elméleti sejtések igazolásához a jelentős magyar részvétellel működő nemzetközi kutatócsoport, amelynek Nyakó Barnán kívül az ATOMKI további hat munkatársa és a Debreceni Egyetem egyik kutatója is tagja volt, a jelenleg kísérletileg elérhető legnehezebb azonos számú protont és neutront tartalmazó atommag, a 92-es tömegszámú palládium szerkezetét vizsgálta. A francia nemzeti nehézion laboratóriumban, a GANIL-ban, a protonban gazdag 36-os tömegszámú argon és 58-as tömegszámú nikkel ütköztetésével először a palládium 94-es tömegszámú izotópját hozták létre, amely egy közbenső, magasan gerjesztett atommag. - A gerjesztett magok arra törekednek, hogy alacsonyabb energiájú állapotokba térjenek vissza. Emiatt a közbenső magok előbb részecskevesztéssel, azaz protonok, neutronok, valamint alfa részecskék magból történő elpárologtatásával különböző végmagokká alakulnak, amelyek aztán gerjesztett állapotaikból gamma-sugárzás kibocsájtásával alapállapotba bomlanak - mondta az ATOMKI fizikusa. Az ütköztetés során keletkező több milliárd atommagból a kísérlet szempontjából megkívánt 92-es palládium csak nagyon csekély számban, százas nagyságrendben keletkezett. - Ahhoz, hogy az óriási háttérből hatékonyan kiválogathassuk a számunkra érdekes végmagokat, egy olyan detektorrendszerre volt szükség, amely a gamma sugárzások mérése mellett képes a vizsgálni kívánt végmag kiválasztására is - hangsúlyozta Nyakó Barna hozzátéve: a gamma sugárzást mérő, az ATOMKI részvételével nemzetközi együttműködésben kifejlesztett EXOGAM detektorrendszerrel együtt működő töltöttrészecske detektorrendszer, a DIAMANT, teljes egészében az MTA Atommagkutató Intézetben készült el. - A DIAMANT-tal azt tudtuk meghatározni, hogy hány darab proton és alfa részecske lépett ki az ütköztetés során létrejött közbenső magból, vagyis segítségével azokat a bomlásokat tudtuk kizárni, amelyek nem a számunkra érdekes végmag kialakulásához vezettek - mutatott rá a fizikus.
Az ütköztetés során fellépő közel 1010 regisztrált eseményt kiértékelve, a fizikusok pár százat a 92-es palládium gerjesztett állapotainak a bomlásához rendeltek. Eredményeik szerint a 92-es tömegszámú palládium első három gerjesztett állapotának alapállapotba történő bomlásakor olyan energiájú gamma-sugárzások voltak megfigyelhetőek, amelyek összhangban vannak a részecske kvartett korrelációból várt gerjesztési energia mintázattal. A 92-es és 96-os palládium kísérletileg mért (exp) nívószerkezetei és a neutron-proton korrelációkat figyelembe vevő elméleti számolások (SM) közötti jó egyezés megerősíti a 92-es palládium szerkezetére javasolt értelmezést. - Ez az első kísérleti bizonyíték arra vonatkozóan, hogy a kvartett korreláció alapjául szolgáló új típusú neutron-proton párkölcsönhatás előfordul a természetben - hangsúlyozta a kutató.