AZ EPS 2002. ÉVI MAGFIZIKAI DÍJA

Az Európai Fizikai Társulat (EPS) 2002-ben a Lise Meitner-díjat James Philip Elliottnak, a Sussexi Egyetem (UK) professzorának, és Francesco Iachellónak, a Yale Egyetem (USA) professzorának (az Eötvös Loránd Fizikai Társulat tiszteleti tagjának) ítélte oda, a "a csoportelméletnek az atommagok megismerése érdekében végzett innovatív alkalmazásáért".

A díjat minden második évben adják át a magfizikai kutatásokban elért kiemelkedő eredményért. Névadója Lise Meitner, a kiváló osztrák származású magfizikus, aki a Bécsi Egyetemen elméleti fizikából szerzett doktori fokozatot (az egyetem történetében másodikként a nők közül). A vegyész Otto Hahn munkatársaként meghatározó szerepe volt számos fontos felfedezésben, és 1938-ban csak néhány hónappal azelőtt hagyta el Németországot, hogy felismerték a maghasadást. Ekkorra azonban zsidó származása miatt már visszavonták professzori címét, és a Hahnnal közös utolsó munkáját ismertető publikációban neve sem szerepelt a szerzők között. Svédországban és Angliában dolgozott. 1966-ban Hahnnal és Strassmannal közösen kapta meg az Enrico Fermi-díjat.

Az idei év díjazottai közül J.P. Elliott az idősebb, aki 1952-ben doktorált Southamptonban. Később reaktorelmélettel, majd magszerkezettel foglalkozott. 1962-től dolgozik Sussexben, 1980-tól tagja a Royal Societynek.

Nevét a magfizikus közösség a róla elnevezett Elliott-modell, vagy másként SU(3) héjmodell kapcsán tanulta meg, melyet 1958-ban publikált (Proc. Roy. Soc. A245 [1958] 128, 562). Ez a modell igazi áttörést hozott a magszerkezet megértésében.

1958-ban már ismeretes volt a magok héjmodellje, melynek fizikai tartalmát a következőkben lehet leegyszerűsítve összefoglalni. Az atommag olyan, mint egy atom, vagy mint egy apró naprendszer, melynek viselkedéséért csupán néhány nukleon a felelős. Ezek a részben betöltött, úgynevezett külső héj(ak)on helyezkednek el, ezért valencianukleonoknak nevezzük őket. Az összes többinek csupán annyi a szerepe, hogy (zárt héjakba tömörülve) egy vonzó erőcentrumot létesítenek, s ennek hatása alatt végzik mozgásukat a valencianukleonok. Ez a modell olyan sikeresen magyarázta meg a magok viselkedésének egyes vonásait, hogy megalkotóinak teljesítményét Nobel-díjjal jutalmazták.

Ugyancsak ismeretes volt a magok kollektív modellje, ami azt mondja, hogy az atommag olyan, mint egy mikroszkopikus méretű folyadékcsepp, tehát lehetséges mozgásformái a forgás és (kvadrupólus) rezgés. Ez az elképzelés is nagyon sikeres volt a magok más tulajdonságainak a leírásában; megalkotói szintén Nobel-díjat kaptak. A két alapmodell azonban egymástól nagyon különböző fizikai képre épül. Felmerül tehát a kérdés, hogy mi közük van egymáshoz.

A választ az Elliott-modell adja meg, rámutatván arra, hogyan származtathatók olyan kollektív tulajdonságok, mint a forgás vagy a (kvadrupólus) deformáció a nukleonok szabadsági fokaiból. A magoknak van egy rejtett (vagy dinamikai) szimmetriája, amelyet SU(3) szimmetriának nevezünk (GYÖRGYI GÉZA - Fizikai Szemle 17 [1967] 88), amelynek segítségével osztályozhatók a magok állapotai. Az SU(3) szimmetriát két kvantumszámmal lehet jellemezni (hasonlóan ahhoz, ahogyan a valós háromdimenziós térbeli forgatásokkal szemben mutatott szimmetriát egy kvantumszámmal, az impulzusmomentummal). E két kvantumszám értéke határozza meg az atommag kvadrupólus deformációját, vagyis azt, hogy szivar alakban megnyúlt, zsemleként belapult, háromtengelyű, vagy éppen gömbszimmetrikus alakja van-e. Az azonos SU(3) szimmetriájú állapotok pedig egy (vagy néhány) rotációs sávot alkotnak. Tehát a héjmodellállapotok tengeréből a kollektív modell állapotait szimmetriamegfontolások révén tudjuk kiválogatni. (A történethez hozzátartozik, hogy a nukleonoknak nem csak térbeli, hanem belső, jelesen spin- és izospin szabadsági fokuk is van, ezeket Wigner SU(4) szimmetriája írja le. Ennélfogva a magállapotok osztályozásához mindkét komponenst tekintetbe kell venni, ami azonban csupán technikai bonyodalmat jelent, nem pedig elvit. Pontosságra törekedvén egyes publikációkban ezért a modellt Wigner-Elliott-modellnek, vagy SU(4) x SU(3) modellnek nevezik.)

Az Elliott-modell jelentősége kettős. Egyfelől egységesítő szerepe van, ami elvileg nagyon fontos. Hidat vert a kollektív és héjmodell közé, vagyis - a magfizika történetében először - felfedte, miként származtathatók a kollektív tulajdonságok az egyrészecskés szabadsági fokokból. Másfelől a magok spektroszkópiai tulajdonságait (az állapotok energiáját, spinjét, átmeneteit stb.) származtathatjuk belőle, és e téren szép sikereket könyvelhet el. Alkalmazási köre azonban csak a könnyű magokra terjed ki; a nehezebbek esetében a magerők olyan erősen sértik az SU(3) szimmetriát, hogy az Elliott-modell nem működik.

Érdekes - és úgy tűnik nem teljesen megválaszolt - tudománytörténeti kérdés, hogy az SU(3) szimmetria magfizikai sikere (1958) vajon miként hatott e szimmetria felhasználására a hadronspektrumok leírásában a 60-as években (a "nyolcas út"). Az viszont egészen nyilvánvaló, hogy sokakat megtanított (és fog megtanítani) a csoportelmélet alkalmazására a modell megalkotójának kitűnő könyve: J.P. ELLIOTT, P.G. DAWBER: Symmetry in Physics - MacMillen Pub. Ltd., 1979.

A másik díjazott F. Iachello Torinóban doktorált nukleáris mérnökként, majd PhD-fokozatot szerzett az MIT-n elméleti magfizikából 1969ben. 1978 óta a Yale Egyetem professzora. 1974-ben A. Arimával közösen megalkotta az atommagok kölcsönhatóbozon-modelljét (IBM), ami egyik elindítója volt a magszerkezet-vizsgálatok reneszánszának. A közepes és nehéz magok tartományában nagyon hasonló szerepet játszott, mint az Elliott-modell a könnyű magokéban: összekötötte a héjmodellt a kollektív modellel. A modell építőköveti azok a bozonok, amelyeket a valenciahéjon lévő nukleonok (vagy nukleonlyukak) párjai alkotnak. Nevezetesen: monopólus és kvadrupólus, vagyis 0 és 2 impulzusmomentumú bozonokról (nukleonpárokról) van szó, melyekre alapozva a páros proton- és páros neutronszámú magok kollektív viselkedése jól tárgyalható. Ez a leírás is algebrai eszközöket használ; a modellnek U(6)-os csoportszerkezete van. (F. IACHELLO, A. ARIMA: The Interacting Boson Model - Cambridge University Press, 1987; magyarul megjelent rövid ismertetők: Fizikai Szemle 35 (1985) 107; és Az atomenergetika és magkutatás újabb eredményei 8 - Akad. Kiadó, 1991, 281. o.).

A kollektív mozgás alaptípusai (rotáció, vibráció, alak-instabil mozgás) ebben a leírásban dinamikai szimmetriaként jelennek meg, melyekhez az energia sajátérték-problémájának analitikus megoldása tartozik, vagyis a magok energiaspektrumát egyszerű képlet adja meg. Ezek a modelltípusok sok mag esetében meg is valósulnak a természetben, de mint egy vonatkoztatási rendszer sarokkövei, azon magspektrumok osztályozásában is nagyon jó szolgálatot tesznek, amelyek bonyolultabb képet mutatnak. A modell felhasználásával rengeteg kísérletet analizáltak, és sok újat végeztek a jóslatai ellenőrzésére. Ennek köszönhetően az IBM-et ismertető cikkekre rövid idő alatt több ezer hivatkozás gyűlt össze. A modellt később több irányban is általánosították. Arima és Iachello vezette be azt a változatát, amelyben különbséget tesznek a proton- és neutronbozonok között (IBM-2). Elliott és szerzőtársai pedig két lépésben az izospin-formalizmus teljes fegyverzetével ellátták (IBM-3, -4). Ezáltal alkalmassá tették a könnyű magok leírására is, amelyekben a valenciaprotonok és -neutronok rendszerint ugyanazon a héjon fordulnak elő. Iachello és munkatársai kiterjesztették a páratlan magokra is, a páratlan nukleonok szabadsági fokának explicit módon való tekintetbe vételével (kölcsönhatóbozon-fermion-modell). Ugyanez tette lehetővé a szuperszimmetria magspektroszkópiai megfogalmazását, ami a bozonok és fermionok egymásba transzformálásával kapcsolatos szimmetria (Fizikai Szemle 32 [1982] 234).

Érdemes megjegyezni, hogy a dinamikai szimmetria, mint az energia sajátérték-egyenletére analitikus megoldást nyújtó határeset, ami ráadásul szemléletes fizikai tartalommal is rendelkezik, jelen van a modell összes kiterjesztett változatában. Még általánosabban: mindazokban a modellekben, amelyekben az algebrai leírást abban a szigorú értelemben alkalmazzák, hogy nemcsak az állapotok osztályozását végzik valamely csoport (irreducibilis reprezentációi) szerint, hanem a fizikai mennyiségeket leíró operátorokét is. Ez közös jellemzője az Elliott-modellnek és a kölcsönhatóbozon-modellnek.

A 70-es években felvirágzó szimmetriavizsgálatok világszerte nagy lendületet adtak a magszerkezet-kutatásnak mind a kísérlet, mind az elmélet oldaláról. Így Magyarországon is új vizsgálatokat inspiráltak, Budapesten a Műegyetemen és az Izotópintézetben, Debrecenben pedig az Egyetemen és az Atommagkutató Intézetben. Az ezekben játszott részben közvetlen, részben pedig közvetett szerepe miatt választotta az Eötvös Társulat 1996-ban Francesco Iachellót tiszteleti tagjainak sorába.

Újabban Iachello és munkatársai sikeresen alkalmazták ugyanezt a csoportelméleti technológiát a hadronspektroszkópiában (de nem a belső, spin és íz szabadsági fokok leírására, hiszen az már régóta ismert, hanem a térbeli mozgáséra, ezáltal mintegy teljessé téve az algebrai tárgyalást), továbbá a molekulafizikában is.

A Lise Meitner-díj idei kitüntetettjeiről tehát elmondható, hogy rendelkeznek a tudós anekdotikus ismérvével: ugyanazt nézték, mint a többiek, de egészen mást láttak meg benne. Eredeti gondolkodásmódjukkal egy egész diszciplína fejlődésének adtak komoly lendületet.

Cseh József
ATOMKI, Debrecen