ALICE detectează conversia plumbului în aur la LHC
Experimentul ALICE (A Large Ion Collider Experiment) – experiment cu un accelerator de ioni de amploare mare – al acceleratorului de particule Large Hadron Collider (LHC) analizează ce se întâmplă atunci când ionii grei se ciocnesc. În principal, este vorba despre înțelegerea plasmei quark-gluon care a existat în primele momente de după Big Bang. Dar ciocnirea ionilor de plumb poate descompune acești atomi în forme mai ușor de recunoscut, cum ar fi conversia plumbului în aur.
Aceasta nu este o transmutare alchimică a plumbului în aur, ci o transmutare nucleară. Plumbul este format din 82 de protoni și aproximativ 126 de neutroni în miezul său. Aurul are în schimb 79 de protoni, cu doar trei mai puțini decât plumbul. Îndepărtarea a trei protoni din fiecare atom de plumb este ceea ce este necesar pentru a realiza această transmutare.
Într-o lucrare publicată în Physical Review Journals, echipa experimentului ALICE transmite, într-un comunicat de presă, măsurători care cuantifică transmutarea plumbului în aur în acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC) al CERN.
„Alchimie” în acțiune, CERN detectează atomii de plumb care se transformă în aur
Transformarea metalului de bază plumb în metalul prețios aur a fost un vis al alchimiștilor medievali. Această căutare îndelungată, cunoscută sub numele de chrysopoeia, ar fi putut fi motivată de observația că plumbul, relativ abundent, are o densitate similară cu aurul, care a fost mult timp râvnit pentru culoarea și raritatea sa frumoasă. Abia mult mai târziu a devenit clar că plumbul și aurul sunt elemente chimice distincte și că metodele chimice sunt incapabile să se transmute unul în celălalt.
Odată cu apariția fizicii nucleare în secolul al XX-lea, s-a descoperit că elementele grele se pot transforma în altele, fie în mod natural, prin dezintegrare radioactivă, fie în laborator, sub un bombardament cu neutroni sau protoni. Deși aurul a mai fost produs artificial în acest mod înainte, experimentul ALICE a măsurat acum transmutarea plumbului în aur printr-un nou mecanism care implică coliziuni la limită între nucleele de plumb de la LHC.
Coliziunile de energie extrem de mare dintre nucleele de plumb de la LHC pot crea plasmă quark-gluon, o stare fierbinte și densă a materiei despre care se crede că a umplut universul la aproximativ o milionime de secundă după Big Bang, dând naștere materiei pe care o cunoaștem acum. Cu toate acestea, în interacțiunile mult mai frecvente în care nucleele se apropie unul de celălalt fără a se „atinge”, câmpurile electromagnetice intense care le înconjoară pot induce interacțiuni foton-foton și foton-nucleu care deschid noi căi de explorare.
Nucleele de plumb călătoresc la 99,999993% din viteza luminii
Câmpul electromagnetic emanat de un nucleu de plumb este deosebit de puternic deoarece nucleul conține 82 de protoni, fiecare purtând o sarcină elementară. Mai mult, viteza foarte mare la care nucleele de plumb călătoresc în LHC (corespunzătoare cu 99,999993% din viteza luminii) face ca liniile câmpului electromagnetic să fie comprimate într-o „clătită” subțire, transversal față de direcția de mișcare, producând un impuls de fotoni de scurtă durată. Adesea, acest lucru declanșează un proces numit disociere electromagnetică, prin care un foton care interacționează cu un nucleu poate excita oscilații ale structurii sale interne, rezultând ejecția unui număr mic de neutroni și protoni. Pentru a crea aur (un nucleu care conține 79 de protoni), trebuie îndepărtați trei protoni dintr-un nucleu de plumb în fasciculele LHC.
Echipa ALICE a folosit calorimetrele de grad zero (ZDC) ale detectorului pentru a număra numărul de interacțiuni foton-nucleu care au dus la emisia a zero, unu, doi și trei protoni însoțiți de cel puțin un neutron, care sunt asociați cu producerea de plumb, taliu, mercur și respectiv aur. Deși mai puțin frecventă decât crearea de taliu sau mercur, rezultatele arată că LHC produce în prezent aur la o rată maximă de aproximativ 89.000 de nuclee pe secundă din coliziuni plumb-plumb în punctul de coliziune ALICE. Nucleele de aur ies din coliziune cu energie foarte mare și lovesc conducta fasciculului LHC sau colimatoarele în diferite puncte din aval, unde se fragmentează imediat în protoni, neutroni și alte particule individuale.
Vis efemer – Aurul există doar pentru o mică fracțiune de secundă
Analiza ALICE arată că, în timpul celei de-a doua etape a LHC (2015–2018), aproximativ 86 de miliarde de nuclee de aur au fost create în cadrul celor patru experimente majore. În ceea ce privește masa, aceasta corespunde la doar 29 de picograme (2,9 ×10⁻¹ g). Întrucât luminozitatea din LHC crește continuu datorită modernizărilor regulate ale mașinilor, a treia etapă a produs aproape dublul cantității de aur față de a doua etapă, dar totalul este încă de trilioane de ori mai mic decât ar fi necesar pentru a realiza o bijuterie. Deși visul alchimiștilor medievali s-a împlinit din punct de vedere tehnic, speranțele lor de îmbogățire au fost din nou spulberate.
„Datorită capacităților unice ale ZDC-urilor ALICE, prezenta analiză este prima care detectează și analizează sistematic semnătura producției de aur la LHC experimental”, spune Uliana Dmitrieva din colaborarea ALICE.
Dincolo de rezonanța istorică a realizării unei forme de alchimie, această cercetare oferă și informații valoroase despre funcționarea acceleratoarelor de particule.
„Rezultatele testează și îmbunătățesc, de asemenea, modelele teoretice ale disocierii electromagnetice care, dincolo de interesul lor intrinsec în fizică, sunt utilizate pentru a înțelege și prezice pierderile din fascicul care reprezintă o limită majoră pentru performanța LHC și a viitorilor acceleratori de particule”, adaugă John Jowett, tot din colaborarea ALICE.
