Під франко-швейцарським кордоном, у 27-кілометровому кільці CERN, працює найпотужніший у світі прискорювач частинок — Large Hadron Collider. Зазвичай тут зіштовхують іони свинцю майже зі швидкістю світла, створюючи «вогняні кулі» матерії, подібні до стану Всесвіту в перші миті після Великого вибуху.
Але 30 липня 2025 року дослідники повідомили про результат, який звучить як сюжет із середньовічних трактатів з алхімії: під час одного з експериментів іони свинцю на мить перетворилися на золото.
Як це можливо?
Йдеться не про класичне «зіткнення лоб у лоб», коли ядра буквально розбиваються на уламки. Навпаки — про так звані ультрапериферійні зіткнення. У таких випадках ядра пролітають дуже близько одне до одного, але не торкаються. Проте їхні потужні електромагнітні поля взаємодіють.
У результаті виникає сплеск високоенергетичних фотонів. Ці фотони можуть «вибити» з ядра один, два або навіть три протони. Якщо з ядра свинцю-208 вилітають три протони, воно перетворюється на золото-205.
Щоправда, лише на мить — приблизно на 10⁻²³ секунди. Після цього нестабільне ядро розпадається на інші частинки. Але навіть цього достатньо, щоб детектори зафіксували зміну.
Роль експерименту ALICE
Виявити такі «чисті» події вдалося завдяки експерименту ALICE. Група дослідників під керівництвом фізика Даніеля Тапіа Таккі з University of Kansas вдосконалила метод аналізу сигналів, щоб відфільтрувати «тихі» перетворення від звичайних хаотичних зіткнень.
На відміну від центральних ударів, де утворюється безліч уламків, фотон-фотонні або фотон-ядерні взаємодії майже «стерильні»: детектори бачать спалах і змінене ядро без зайвого шуму.
Аналіз показав, що ймовірність утворення золота в таких умовах виявилася несподівано високою — лише трохи меншою за частоту звичайних нееластичних зіткнень свинцю. Інакше кажучи, майже щоразу, коли в колайдері відбувається потужне зіткнення, десь поруч інший іон свинцю тихо стає золотом — і так само швидко зникає.
Це більше, ніж просто «золото»
Звісно, ніхто не збирається збагачуватися за рахунок колайдера. Кількість утвореного золота мізерна, а його існування триває неймовірно коротко.
Проте наукова цінність — величезна. Такі процеси дозволяють:
- перевіряти квантову електродинаміку на нових енергетичних масштабах;
- уточнювати моделі фотоядерних реакцій;
- досліджувати структуру атомних ядер;
- покращувати безпеку роботи прискорювача.
Останній пункт особливо важливий. Якщо з ядра вибивається навіть один протон, іон змінює заряд і по-іншому поводиться в магнітному полі. Такі «втечі» можуть створювати небажані пучки частинок, що впливають на роботу надпровідних магнітів.
Вплив на майбутні колайдери
Отримані дані вже використовуються для моделювання роботи майбутніх установок, зокрема Electron-Ion Collider у США та перспективного 100-кілометрового колайдера, який планують побудувати в Європі.
Розуміння того, як часто відбуваються такі «майже зіткнення» і які продукти вони створюють, допомагає інженерам проєктувати системи захисту та оптимізувати роботу дорогого обладнання.
Алхімія XXI століття
Середньовічні алхіміки мріяли перетворити свинець на золото, шукаючи філософський камінь. Сучасна фізика зробила це без містики — завдяки квантовим законам, фотонам високих енергій і надпотужним магнітам.
Так, золото існує лише частку трильйонної трильйонної секунди. Але цей короткий «спалах» — не про багатство. Він про глибше розуміння матерії, про контроль над процесами на фундаментальному рівні і про те, як навіть найфантастичніші ідеї можуть отримати наукове пояснення.
Інколи сучасна наука справді звучить як алхімія — тільки з точними формулами та детекторами замість магічних символів. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review C.