На Большом адронном коллайдере ученые почти сталкивали на высоких скоростях ядра свинца и получили при этом следовые количества золота. Исследователи собрали данные об этом процессе на детекторе ALICE.
Сотни лет назад алхимики пытались превратить дешевый и распространенный свинец в желанное всеми золото, но никто из них в этом так и не преуспел. Оказалось, оторвать от свинца два нейтрона и три протона можно с помощью бомбардировки нуклонами или в ускорительном кольце Большого адронного коллайдера. Можно сказать, для исполнения алхимической мечты потребовалось сотрудничество ученых и инженеров со всего мира.
Для трансформации даже не пришлось сталкивать заряженные частицы. Ученые заставили сильно разогнанные ядра свинца проходить очень близко друг к другу. Когда ядра промахиваются друг мимо друга, не «касаясь», окружающие их интенсивные электромагнитные поля могут вызывать фотон-фотонные и фотон-ядерные взаимодействия.
Высокая скорость полета ядер заставляет электромагнитное поле вокруг них менять конфигурацию. Формируется кратковременный импульс фотонов. Это запускает процесс электромагнитной диссоциации — взаимодействующий с ядром фотон может возбуждать колебания его внутренней структуры. Может произойти выброс из ядра небольшого количества нейтронов и протонов. Так из свинца с 82 протонами образуются таллий (81 протон), ртуть (80 протонов) и золото (79 протонов).
Количества золота при этом следовые, оно не выпадает в виде осадка. Полученные ядра в принципе долго не «живут»: при тех энергиях, с которыми работает БАК, получившиеся металлы распадаются на составные части при столкновении со стенками ускорителя.
Анализ данных эксперимента показал, что во время второго запуска БАК в 2015-2018 годах в четырех основных экспериментах было создано около 86 миллиардов ядер золота. По массе это соответствует всего 29 пикограммам. Мощность БАК постоянно растет благодаря регулярным обновлениям, и третий запуск ускорителя произвел почти вдвое больше золота. Но все еще, чтобы получить один грамм золота, потребуется приблизительно 500 миллионов лет непрерывной работы системы.
Узнать, что ядра свинца в принципе изменились, ученые могут по данным детекторов в эксперименте ALICE. Они в основном отслеживают данные о протонах и нейтронах, испускаемых при взаимодействии ядер. Также измененные ядра в движении отклоняются от основного пучка, на который настроена система. То, насколько они отклоняются, служит дополнительным маркером веса получившегося объекта. Данные об эксперименте опубликованы в издании Physical Review Journals.
«Благодаря уникальным возможностям калориметров нулевого угла (ZDC) на детекторе ALICE мы впервые смогли систематически наблюдать и анализировать создание золота в БАК в процессе экспериментов», — отметила физик Ульяна Дмитриева (Uliana Dmitrieva) из коллаборации ALICE.