Большой адронный коллайдер превратил свинец в золото
Коллаборация ALICE зафиксировала превращение свинца в золото в экспериментах на Большом адронным коллайдере в ЦЕРНе. Результаты измерений обнародованы в журнале Physical Review C.
Превращение неблагородного свинца в драгоценное золото было мечтой средневековых алхимиков. Многовековой поиск, известный как хризопея, мог быть вдохновлен наблюдением, что у тускло-серого и относительно распространенного свинца плотность близка к золоту, которое издавна ценилось за красоту и редкость. Гораздо позже стало ясно, что свинец и золото — разные элементы, не способные превращаться один в другой химическим путем.
С зарождением ядерной физики в XX веке обнаружилось, что переход одного тяжелого элемента в другой все же возможен — либо естественным путем, через радиоактивный распад, либо в лаборатории, под воздействием нейтронов или протонов. Золото уже так делали, но теперь коллаборация ALICE впервые провела превращение свинца в золото посредством нового механизма — сильного сближения ядер свинца в БАК.
Столкновения ядер на сверхвысоких энергиях могут создавать кварк-глюонную плазму — горячее и плотное состояние материи, которое, как считается, заполняло Вселенную примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва, породив известную нам материю. Чаще же ядра лишь «пролетают» мимо друг друга, не сталкиваясь напрямую, — и тогда их мощные электромагнитные поля могут порождать фотон-фотонные и фотон-ядерные взаимодействия, открывая новые возможности для исследований.
Электромагнитное поле ядра свинца особенно сильно, поскольку в нем 82 протона, каждый из которых несет элементарный заряд. Огромная скорость ядер свинца в БАК (99,999993% скорости света) «сплющивает» силовые линии поля в тонкий «блин», перпендикулярный направлению движения, создавая кратковременный импульс фотонов. Часто это запускает процесс электромагнитной диссоциации: фотон, взаимодействуя с ядром, возбуждает колебания его внутренней структуры, что приводит к выбросу небольшого числа нейтронов и протонов. Чтобы получить золото с 79 протонами, из ядра свинца в пучке БАК необходимо удалить три протона.
«Впечатляет, что наши детекторы могут регистрировать лобовые столкновения, порождающие тысячи частиц, и одновременно чувствительны к взаимодействиям, в которых рождается всего несколько частиц, что позволяет изучать редкие процессы электромагнитной “ядерной трансмутации”», — говорит представитель ALICE Марко ван Лёвен.
Калориметры нулевого угла (ZDC) детектора помогли подсчитать количество фотон-ядерных взаимодействий, приводящих к выбросу одного, двух или трех протонов, либо вообще ни одного, с испусканием как минимум одного нейтрона — что приводит к образованию ядер таллия, ртути, золота и свинца соответственно. Хотя золото образуется реже, чем таллий или ртуть, результаты показывают, что БАК сейчас производит его с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду в точке столкновения. Ядра золота вылетают из зоны столкновения с огромной энергией и почти мгновенно разрушаются в трубе или коллиматорах БАК, распадаясь на отдельные протоны, нейтроны и другие частицы — благородный металл существует лишь доли секунды.
Анализ ALICE показывает, что во время второго сеанса работы БАК (2015–2018) на четырех основных экспериментах было создано около 86 миллиардов ядер золота. По массе это всего 29 пикограммов (2,9⋅10⁻¹¹ г). Поскольку светимость БАК постоянно растет благодаря модернизациям, в третьем сеансе (Run 3) золота образовалось почти вдвое больше, чем во втором, но общее количество по-прежнему в триллионы раз меньше, чем нужно для изготовления даже крошечного украшения. Так что мечта средневековых алхимиков технически осуществилась — но их надежды на богатство вновь рухнули.
«Благодаря уникальным возможностям ZDC в ALICE, этот анализ впервые экспериментально зафиксировал и изучил признаки образования золота в БАК», — довольна Ульяна Дмитриева из коллаборации ALICE.
«Результаты также проверяют и уточняют теоретические модели электромагнитной диссоциации, которые, помимо фундаментального интереса, помогают понять и предсказывать потери пучка — ключевое ограничение для работы БАК и будущих коллайдеров», — добавил Джон Джоветт, также участник ALICE.
