У CERN вперше спостерігали перетворення свинцю на золото під час експерименту в Великому адронному колайдері. Експеримент вперше зафіксував утворення атомів золота з ядер свинцю під час майже зіткнень у Великому адронному колайдері (ВАК). Ці надшвидкі взаємодії викликають електромагнітні процеси, які іноді призводять до викиду трьох протонів — у результаті утворюються атоми золота. Їх виникають мільярди, але лише на мить.
Від свинцю до золота: сучасна алхімія у CERN
У нещодавно опублікованому дослідженні в журналі Physical Review Journals науковці з експерименту ALICE у CERN спостерігали щось надзвичайне: трансформацію свинцю в золото у надпотужному Великому адронному колайдері.
Протягом століть алхіміки мріяли перетворити свинець у золото — процес, відомий як хризопея. Вони вважали, що обидва метали важкі й мають схожі властивості. Тепер ми знаємо, що свинець і золото — зовсім різні елементи, і жодна хімічна реакція не здатна перетворити одне в інше.
Нова алхімія — фізика замість магії
У XX столітті ядерна фізика довела, що атоми можуть перетворюватися з одного елемента в інший. Це відбувається або природним шляхом — через радіоактивний розпад, або у лабораторіях під дією частинок високої енергії. Золото вже створювали таким чином раніше, але команда ALICE вперше виміряла новий спосіб — через майже зіткнення свинцевих ядер.
Коли два ядра свинцю мчать у ВАК майже зі швидкістю світла, вони іноді лише «прослизають» одне повз одне. Замість прямого зіткнення виникає потужна електромагнітна взаємодія. Вона створює імпульси енергії, здатні змінити саму суть атомного ядра — зокрема, перетворити свинець на золото.
Спалахи фотонів і ядерні зміни
Сильне електромагнітне поле, яке виходить від ядра свинцю (яке містить 82 протони), у поєднанні з надвисокою швидкістю ядер у ВАК (99.999993% від швидкості світла) стискає ці поля у тонкий «млинець», перпендикулярний руху. Це викликає короткий спалах фотонів. Часто це призводить до процесу електромагнітної дисоціації: фотон збуджує ядро, і те втрачає нейтрони та протони. Щоб створити золото (яке має 79 протонів), зі свинцю потрібно «вибити» три протони.
«Вражає, що наші детектори здатні фіксувати як зіткнення, де утворюються тисячі частинок, так і ті, де з’являються лише одиниці, що дозволяє вивчати процеси ‘ядерної трансмутації’», — каже речник ALICE Марко Ван Леувен.
Підрахунок атомів золота після зіткнень
Команда ALICE використала калориметри нульового кута (ZDC), щоб підрахувати, скільки разів після фотон-ядерної взаємодії випромінювалося нуль, один, два або три протони — що відповідно вказує на утворення свинцю, талію, ртуті та золота. Хоча золото утворюється рідше, ніж інші елементи, виявлено, що ВАК генерує до 89 000 атомів золота щосекунди у точці зіткнення ALICE.
Ці ядра золота мають величезну енергію й згодом стикаються з трубами або коліматорами прискорювача, де негайно розпадаються на протони, нейтрони та інші частинки. Золото існує лише частку секунди.
Мить скарбу: мільярди атомів золота — але без прикрас
Під час другої серії запусків ВАК (2015–2018) було створено приблизно 86 мільярдів атомів золота, що дорівнює лише 29 піктограмам (2.9 ×10⁻¹¹ г). У третій серії (після модернізації) золота стало вдвічі більше, але й цього недостатньо навіть на один ланцюжок. Мрія алхіміків справдилась — але багатства з неї не буде.
Більше, ніж золото: крок уперед у фізиці колайдерів
«Завдяки унікальним можливостям детекторів ZDC, це перше системне дослідження ознак утворення золота у ВАК», — зазначає Уляна Дмитрієва з команди ALICE. «Результати також допомагають вдосконалювати моделі електромагнітної дисоціації, які, крім наукової цінності, критично важливі для розуміння втрат пучків — головного обмеження для ВАК і майбутніх колайдерів», — додає Джон Джоветт, також з ALICE.