Превращение свинца в золото - реальность
Столкновения ядер свинца с высокой энергией на Большом адронном коллайдере генерируют интенсивные электромагнитные поля, которые могут выбивать протоны и превращать свинец в мимолётные количества ядер золота.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Journals, коллаборация ALICE (A Large Ion Collider Experiment) сообщает об измерениях, которые количественно определяют трансмутацию свинца в золото на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРНа.
Превращение неблагородного металла свинца в золото было мечтой средневековых алхимиков, возможный процесс которого они назвали хризопея, был мотивирован тем что относительно распространенный свинец имеет плотность, близкую к плотности золота. Только гораздо позже стало ясно, что свинец и золото являются разными химическими элементами и такое преобразование через химические методы невозможно.
С рассветом ядерной физики в 20 веке было обнаружено, что тяжёлые элементы могут трансформироваться в другие, либо естественным путём, путём радиоактивного распада, либо в лаборатории, под бомбардировкой нейтронами или протонами. Хотя золото уже было получено таким образом, коллаборация ALICE теперь измерила трансмутацию свинца в золото с помощью нового механизма, включающего столкновения ядер свинца на близком расстоянии в БАК.
Столкновения ядер свинца с чрезвычайно высокой энергией могут создать кварк-глюонную плазму, горячее и плотное состояние материи, которое, как полагают, заполнило вселенную примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва, породив материю, которую мы теперь знаем. Однако в гораздо более частых взаимодействиях, когда ядра просто промахиваются друг мимо друга, не «касаясь», окружающие их интенсивные электромагнитные поля могут вызывать взаимодействия фотон-фотон и фотон-ядро, которые открывают дальнейшие пути исследования.
Электромагнитное поле, исходящее от ядра свинца, особенно сильное, поскольку ядро содержит 82 протона, каждый из которых несёт один элементарный заряд. Более того, очень высокая скорость, с которой ядра свинца движутся в БАК (соответствующая 99,999993% скорости света), заставляет линии электромагнитного поля сжиматься в тонкий «блинчик», поперечную направлению движения, создавая кратковременный импульс фотонов. Часто это запускает процесс, называемый электромагнитной диссоциацией, при котором фотон, взаимодействующий с ядром, может возбуждать колебания его внутренней структуры, что приводит к выбросу небольшого количества нейтронов и протонов. Чтобы создать золото (ядро, содержащее 79 протонов), три протона должны быть удалены из ядра свинца в пучках LHC.
Впечатляет то, что наши детекторы способны справляться с лобовыми столкновениями, в ходе которых образуются тысячи частиц, и в то же время чувствительны к столкновениям, в ходе которых одновременно образуется лишь несколько частиц, что позволяет изучать электромагнитные процессы «ядерной трансмутации
Команда ALICE использовала калориметры с нулевым градусом детектора (Zero Degree Calorimeter) для подсчёта числа фотон-ядерных взаимодействий, которые привели к «выбиванию» нулевого (свинец), одного (таллий), двух (ртуть) и трёх (золото) протонов в сопровождении по крайней мере одного нейтрона. Хотя получение золота происходит реже, чем создание таллия или ртути, результаты показывают, что в настоящее время БАК производит золото с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду из столкновений свинца со свинцом в точке столкновения ALICE. Ядра золота выходят из столкновения с очень высокой энергией и попадают в трубу пучка БАК или коллиматоры в различных точках ниже по потоку (принципиальная схема ALICE указана ниже), где они немедленно фрагментируются на отдельные протоны, нейтроны и другие частицы. Золото существует всего лишь крошечную долю секунды.
Анализ ALICE показывает, что во время Run 2 LHC (2015–2018) в четырёх основных экспериментах было создано около 86 миллиардов ядер золота. По массе это соответствует всего 29 пикограммам (2,9 × 10 -11 г). Поскольку светимость LHC постоянно увеличивается благодаря регулярным обновлениям машин, Run 3 произвёл почти вдвое больше золота, чем Run 2, но общее количество все ещё составляет в триллионы раз меньше, чем потребовалось бы для изготовления ювелирного изделия. Хотя мечта средневековых алхимиков технически осуществилась, их надежды на богатство снова были разбиты.
Благодаря уникальным возможностям ALICE ZDC настоящий анализ является первым, в котором систематически обнаружены и проанализированы признаки производства золота на LHC экспериментальным путем
Иллюстрация (сверху) ультрапериферического столкновения, когда два пучка ионов свинца ( 208 Pb) на LHC проходят близко друг к другу, не сталкиваясь. В процессе электромагнитной диссоциации фотон, взаимодействующий с ядром, может возбуждать колебания его внутренней структуры и приводить к выбросу небольшого количества нейтронов (два) и протонов (три), оставляя ядро золота ( 203 Au) позади.
EMCAL - Electromagnetic Calorimeter
TRD – Transition Radiation Detector
TOF – Time of Flight
TPC – Time Projection Chamber
FIT – Fast Interaction Trigger
ITS – nner Tracking System
MFT – Muon forward tracker
HMPID – High Momentum Particle Identification Detector
PHOS – Photon Spectrometer
ALICE это эксперимент на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа — один из крупнейших экспериментов в мире, посвященный изучению физики сильно взаимодействующей материи при самых высоких плотностях энергии, достигнутых на данный момент в лаборатории. В таких условиях образуется экстремальная фаза материи, называемая кварк-глюонной плазмой. Считается, что наша Вселенная находилась в таком изначальном состоянии в течение первых нескольких миллионных долей секунды после Большого взрыва, прежде чем кварки и глюоны связались вместе, образовав протоны и нейтроны.
Источник: