В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review C, международная команда ученых из ALICE представила результаты, подтверждающие трансмутацию свинца в золото на Большом адронном коллайдере (БАК) CERN. Это открытие связано с давней мечтой алхимиков, которые стремились превратить один металл в другой, а именно в золото. Ранее в ходе ядерных реакций золото уже создавалось в лабораторных условиях, однако ALICE измерила этот процесс с использованием новой методики, основанной на столкновениях свинцовых ядер.
Этот эксперимент имеет историческое значение, так как он развенчивает миф о бессмысленности алхимических экспериментов. Путем изучения взаимодействия свинцовых ядер при столкновениях в LHC ученые смогли зафиксировать преобразование свинца в золото — процесс, который был осуществлен с помощью новых редких ядерных реакций.
Свинец и золото — два химических элемента, которые, как правило, не могут преобразовываться друг в друга химическим способом. Однако с появлением ядерной физики в ХХ веке стало известно, что тяжелые элементы могут преобразовываться друг в друга в условиях очень высоких температур и давления. Когда два свинцовых ядра сталкиваются на БАК с очень высокой энергией, образуется плазма кварков и глюонов, что, в свою очередь, обеспечивает условия для создания новых элементов, включая золото.
В отличие от более частых столкновений, где ядра полностью взаимодействуют друг с другом, в данном случае речь идет о так называемых «почти-столкновениях» свинцовых ядер. В этих столкновениях создаются сильные электромагнитные поля, которые могут вызывать фотонно-нуклеарные взаимодействия, открывая новые возможности для исследовательских работ.
Для того чтобы из свинца образовалось золото, необходимо удалить три протона из свинцового ядра. Этот процесс был задокументирован с помощью детекторов ALICE, которые зафиксировали количество взаимодействий фотонов с ядром, в результате которых удалялись нейтроны и протоны, что и приводило к образованию золотых ядер.
Исследование подтвердило, что золото на БАК образуется с максимальной частотой около 89 000 золотых ядер в секунду при столкновениях свинцовых ядер. Несмотря на эту частоту, произведенного золота оказалось совсем немного: за все время работы коллайдера с 2015 по 2018 годы было создано около 86 миллиардов золотых ядер, что по массе составляет всего лишь 29 пикограмм. В ходе третьего этапа работы БАК количество образовавшегося золота удвоилось, однако этого все равно недостаточно, чтобы даже создать маленький кусочек ювелирного изделия.
Хотя мечта алхимиков о превращении свинца в золото была осуществлена на научном уровне, она остается неосуществимой в плане получения материального богатства. Это открытие помогает не только лучше понять теоретические процессы, происходящие в высокоэнергетических реакциях, но и улучшить предсказания относительно потерь в пучках частиц, которые ограничивают производительность БАК и других будущих коллайдеров.
С помощью уникальных возможностей детекторов ALICE исследование стало первым, которое систематически обнаружило и проанализировало процессы образования золота в экспериментах на LHC. Это не только подтверждает гипотезы о трансмутации, но и помогает улучшить теоретические модели электромагнитной диссоциации, важные для понимания работы высокоэнергетических коллайдеров.
Хотя эксперименты на Большом адронном коллайдере продолжают удивлять своими масштабами и результатами, не менее захватывающие перемены происходят и в другой области — в разработке компактных ускорителей частиц, которые могут уместиться в одной комнате. Если вы хотите узнать, как ученые стремятся сделать физику более доступной и сократить размеры коллайдеров в сотни раз — об этом можете прочитать в этой статье.
