Коллаборация ALICE сообщила, что места средневековых алхимиков сбылась: ученые действительно провели трансмутацию свинца в золото, на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Работа опубликована в журнале Physical Review Journals.
«Алхимики» на БАК все-таки превратили свинец в золото, но получилось очень мало
Коллаборация ALICE сообщила, что места средневековых алхимиков сбылась: ученые действительно провели трансмутацию свинца в золото на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.
«Алхимик», гравюра Филиппа Галле по рисунку Питера Брейгеля Старшего (около 1558 года). Википедия
Превращение дешевого свинца в золото было мечтой средневековых алхимиков. Этот поиск был мотивирован наблюдением, что тускло-серый свинец имеет плотность, близкую к плотности золота. Лишь намного позже стало ясно, что свинец и золото — это разные элементы, и химические методы бессильны превратить одно в другое.
С зарождением ядерной физики в XX веке было обнаружено, что тяжелые элементы могут превращаться друг в друга, либо естественным путем — при радиоактивном распаде, либо в лабораторных условиях — при бомбардировке ядер нейтронами или протонами. Хотя золото уже искусственно производилось таким способом, коллаборация ALICE теперь измерила трансмутацию свинца в золото с помощью нового механизма, включающего столкновения ядер свинца на БАК.
Детектор ALICE
Золото — всего лишь побочный эффект эксперимента
Столкновения ядер свинца с чрезвычайно высокой энергией на БАК могут создавать кварк-глюонную плазму, горячее и плотное состояние материи, которое, как полагают, заполнило вселенную примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва и породило материю, которую мы теперь знаем. Однако в гораздо более частых взаимодействиях, когда ядра «промахиваются» мимо друг друга, не «касаясь», интенсивные электромагнитные поля, окружающие их, могут вызывать взаимодействия фотон-фотон и фотон-ядро, которые открывают новые возможности для исследований.
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 БАК (соответствующая 99,999993% скорости света), приводит к тому, что линии электромагнитного поля сжимаются в тонкую «лепешку», поперечную направлению движения, создавая кратковременный импульс фотонов.
Иллюстрация ультрапериферийного столкновения, при котором два пучка ионов свинца (208Pb) на БАК проходят рядом друг с другом, не сталкиваясь. В процессе электромагнитной диссоциации фотон, взаимодействуя с ядром, может возбудить колебания его внутренней структуры и привести к выбросу небольшого количества нейтронов (два) и протонов (три), оставляя после себя ядро золота (203Au).
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), из ядра свинца в пучках БАК необходимо «выбить» три протона.
Команда ALICE показала, что сегодня БАК производит золото с максимальной скоростью около 89 000 ядер при столкновений свинца со свинцом. Ядра золота выходят из столкновения с очень высокой энергией, и золото существует лишь крошечную долю секунды.
Анализ ALICE показывает, что во время второго запуска БАК (2015–2018) в четырех основных экспериментах было создано около 86 миллиардов ядер золота. С точки зрения массы это соответствует всего 29 пикограммам (2,9 × 10^-11 г). Поскольку мощность БАК постоянно увеличивается благодаря регулярной модернизации машин, третий запуск произвел почти вдвое больше золота, но общее количество все еще составляет в триллионы раз меньше, чем потребовалось бы для изготовления ювелирного изделия. Хотя мечта средневековых алхимиков технически осуществилась, их надежды на богатство снова были разбиты.