Международная коллаборация ALICE провела трансмутацию ядер свинца в золото.
«Хризопея Клеопатры» — изображение из алхимического трактата, датируемого II веком нашей эры, вдохновила средневековых ученых раз за разом повторять процесс, известный как тетрасомата. Эти попытки не увенчались успехом, однако сегодня свинец действительно можно превратить в золото в ускорителях частиц или ядерных реакторах, но его себестоимость будет в триллион раз выше рыночной цены. Проще говоря, в данный момент овчинка не стоит выделки. Например, за четыре года экспериментов на Большом адронном коллайдере получено 86 млрд ядер драгоценного металла. Это всего 29 пикограмм, что в триллионы раз меньше, чем потребовалось бы для изготовления ювелирного украшения. Чтобы получить один грамм золота, БАК должен непрерывно работать миллионы лет. Но сама техническая возможность такой трансмутации - уже достижение.
В ходе эксперимента ядра свинца разгоняли до 99,999993% скорости света. При их столкновении возникали мощные электромагнитные поля, вызывающие фотон-фотонные и фотон-ядерные взаимодействия. В результате из ядра свинца (82 протона) «выбивались» протоны, превращая его таллий (81 протон), ртуть (80 протонов) и золото (79 протонов).
С зарождением ядерной физики в XX веке было обнаружено, что тяжелые элементы могут преобразовываться в другие, либо естественным путем радиоактивного распада, либо в лаборатории, под воздействием нейтронов или протонов.
Чрезвычайно высокоэнергетические столкновения ядер свинца могут создавать кварк-глюонную плазму, горячее и плотное состояние материи, которая, как предполагается, заполнила вселенную примерно за миллионную долю секунды после Большого взрыва, дав начало материи, которую мы знаем сейчас. Однако в гораздо более частых взаимодействиях, когда ядра просто промахиваются, не «касаясь» друг друга, интенсивные электромагнитные поля, окружающие их, могут вызывать фотон-фотонные и фотон-ядерные взаимодействия, которые открывают дальнейшие пути исследования.
Электромагнитное поле, исходящее от ядра свинца, особенно сильное, поскольку ядро содержит 82 протона, каждый из которых несет один элементарный заряд. Более того, очень высокая скорость, с которой ядра свинца движутся в Большом адронном коллайдере (соответствующая 99,999993% скорости света), заставляет линии электромагнитного поля сжиматься в тонкий блин, поперечный 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), необходимо удалить три протона из ядра свинца.
«Впечатляет то, что наши детекторы могут обрабатывать лобовые столкновения, производящие тысячи частиц, и в то же время быть чувствительными к столкновениям, в которых одновременно производится всего несколько частиц, что позволяет изучать процессы электромагнитной «ядерной трансмутации»», — говорит Марко Ван Лиувен, представитель ALICE.
Команда ALICE использовала калориметры с нулевым градусом детектора (Zero Degree Calorimeter, ZDC) для подсчета количества фотон-ядерных взаимодействий, которые привели к испусканию одного, двух и трех протонов в сопровождении по крайней мере одного нейтрона, которые связаны с производством свинца, таллия, ртути и золота соответственно. Хотя это происходит реже, чем создание таллия или ртути, результаты показывают, что в настоящее время Большой адронный коллайдер производит золото с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду из столкновений свинца со свинцом. Ядра золота вылетают из столкновения с очень высокой энергией и попадают в трубу пучка или коллиматоры в различных точках ниже по потоку, где они немедленно фрагментируются на отдельные протоны, нейтроны и другие частицы. Правда, такое золото существует всего лишь крошечную долю секунды. Впереди у экспериментаторов еще много работы, но они явно продвинулись к цели по сравнению с предшественниками, жившими в эпоху поздней античности в Александрии.