W Wielkim Zderzaczu Hadronów fizycy zamieniają ołów w złoto

Marzenia siedemnastowiecznych alchemików o zamianie ołowiu w złoto zostały zrealizowane przez fizyków z Wielkiego Zderzacza Hadronów. Zderzając ze sobą jądra ołowiu udało im się wytworzyć niewielką ilość złota.

Transmutacja ołowiu w złoto była marzeniem alchemików. To oni zauważyli, że powszechnie występujący ołów ma podobną gęstość do rzadkiego i pożądanego złota i próbowali znaleźć sposoby jego przemiany. Dopiero długie lata później ludzkość dowiedziała się, że ołów i złoto to dwa różne pierwiastki i że metody chemiczne nie są w stanie przekształcić jednego w drugi. Ale można to zrobić za pomocą innych technik.

Wraz z rozwojem fizyki jądrowej odkryto, że ciężkie pierwiastki mogą przekształcać się w inne – poprzez rozpad radioaktywny, syntezę jądrową czy pod wpływem bombardowania neutronami lub protonami. Chociaż złoto było już wcześniej sztucznie wytwarzane w ten sposób, teraz badacze z CERN dostrzegli przemianę ołowiu w złoto za sprawą innego mechanizmu.

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma „Physical Review C” (DOI: 10.1103/PhysRevC.111.054906).

Przemiana ołowiu w złoto

Przemiana ołowiu w złoto miała miejsce w CERN w mieszczącym się tam Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC – Large Hadron Collider). Wśród przeprowadzanych tam eksperymentów jeden nosi nazwę ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Naukowcy badają w nim materię istniejącą w pierwszych 10 mikrosekundach po Wielkim Wybuchu. To właśnie dzięki ALICE dostrzeżono nowy mechanizm.

W LHC badacze wysyłają wokół 27-kilometrowego pierścienia zderzacza w przeciwnych kierunkach wiązki ołowiu z prędkością bliską prędkości światła. Wysokoenergetyczne zderzenia między jądrami ołowiu mogą tworzyć plazmę kwarkowo-gluonową, gorący i gęsty stan materii, który, jak się uważa, wypełnił Wszechświat około milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu, dając początek materii, którą znamy obecnie.

Jednak jądra ołowiu znacznie częściej mijają się zamiast zderzać czołowo. Kiedy mijają się w niewielkiej odległości, intensywne pola elektromagnetyczne wokół jąder ołowiu mogą indukować interakcje foton–foton i foton–jądro. Co więcej, bardzo duża prędkość (99.999993 proc. prędkości światła), z jaką jądra ołowiu poruszają się w LHC, powoduje, że linie pola elektromagnetycznego są ściskane, poprzecznie do kierunku ruchu, wytwarzając krótkotrwały impuls fotonów.

Często uruchamia to proces, w którym foton wchodzący w interakcję z jądrem może wzbudzić oscylacje jego wewnętrznej struktury, co skutkuje wyrzuceniem niewielkiej liczby neutronów i protonów. Jądro ołowiu ma 82 protony, a jądro złota 79 protonów, zatem aby stworzyć złoto, trzy protony muszą zostać usunięte z jądra ołowiu.

Tylko ułamek sekundy

Naukowcy zrzeszeni w ALICE obliczyli, jak często występują oddziaływania foton–jądro. Wyniki pokazują, że LHC obecnie wytwarza złoto z maksymalną szybkością około 89 tys. jąder na sekundę w wyniku zderzeń ołowiu z ołowiem. Te jądra złota są niestabilne i po uderzeniu w aparaturę eksperymentalną natychmiast rozpadają się na pojedyncze protony, neutrony i inne cząstki. Złoto istnieje tylko przez ułamek sekundy.

W publikacji uczeni poinformowali, że w latach 2015–2018 zderzenia w LHC stworzyły 86 miliardów jąder złota, dając łącznie około 29 pikogramów cennego kruszcu (pikogram to jedna bilionowa grama). Od tamtej pory LHC przeszedł modernizację i obecnie wytwarza prawie dwukrotnie więcej złota, ale nadal są to znikome ilości.

Źródło: CERN, Nature, Live Science, fot. Johannes Vogel/ Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0