У ЦЕРН вперше експериментально підтвердили перетворення свинцю на золото

Давня алхімічна мрія про перетворення свинцю на золото стала реальністю у Великому адронному колайдері (ВАК) Європейської організації ядерних досліджень ЦЕРН, хоча й не у такий спосіб, який міг би збагатити середньовічних алхіміків.

Колаборація ALICE опублікувала у журналі Physical Review C результати досліджень, які демонструють та кількісно описують процес перетворення свинцю на золото під час високоенергетичних зіткнень у найбільшому у світі прискорювачі частинок.

«Вражає те, що наші детектори здатні опрацьовувати лобові зіткнення, які породжують тисячі частинок, і водночас залишаються чутливими до зіткнень, де утворюється лише кілька частинок, що дозволяє вивчати рідкісні електромагнітні процеси ядерної трансмутації», — зазначив речник колаборації ALICE Марко ван Леувен.

На відміну від хімічних процесів, які намагалися здійснити середньовічні алхіміки, сучасна трансмутація відбувається завдяки ядерній фізиці. Коли ядра свинцю у ВАК проходять надзвичайно близько одне від одного без безпосереднього зіткнення — у так званих «ультрапериферійних зіткненнях» — вони створюють потужні електромагнітні поля, які можуть вибивати протони з ядер свинцю.

Видалення саме трьох протонів з ядра свинцю (яке містить 82 протони) призводить до утворення ядра золота (яке має 79 протонів). Вимірювання показали, що цей процес відбувається напрочуд часто.

Особливо примітним у цих відкриттях є масштаб явища. Протягом другого етапу роботи ВАК (2015−2018 роки) у чотирьох основних експериментах ЦЕРН було створено приблизно 86 мільярдів ядер золота. Хоча ця цифра звучить вражаюче, вона відповідає лише 29 пікограмам (2,9 × 10−11 грама) — це в трильйони разів менше, ніж потрібно для виготовлення навіть найменшої ювелірної прикраси.

Створене золото існує лише протягом мізерної частки секунди, перш ніж розпадається на інші частинки внаслідок зіткнення з трубою пучка ВАК або іншими компонентами.

«Завдяки унікальним можливостям нульових калориметрів ALICE, це перший аналіз, який систематично виявляє та досліджує експериментальні ознаки утворення золота у ВАК», — пояснила Уляна Дмитрієва з колаборації ALICE.

Дослідники використовували спеціалізовані детектори — нульові калориметри (ZDC) — для підрахунку взаємодій, які призводили до випромінювання певної кількості протонів і нейтронів, що відповідає утворенню різних елементів: свинцю, талію, ртуті та золота.

Ці вимірювання показали, що ВАК наразі виробляє золото з максимальною швидкістю близько 89 000 ядер за секунду під час зіткнень свинець-свинець у точці зіткнення детектора ALICE.

Результати досліджень мають значення, що виходить за межі простої наукової цікавості. Як зазначив Джон Джоветт з колаборації ALICE: «Результати також перевіряють і вдосконалюють теоретичні моделі електромагнітної дисоціації, які, окрім їхнього внутрішнього фізичного інтересу, використовуються для розуміння та прогнозування втрат пучка, що є основним обмеженням продуктивності ВАК та майбутніх колайдерів».

Особливо вражаючим є порівняння зі звичайними зіткненнями: переріз утворення золота (5,3 барна) можна порівняти із загальним перерізом для стандартних адронних зіткнень, які становлять основний фокус фізичної програми ВАК.

Іншими словами, ця ядерна алхімія відбувається майже так само часто, як і основні зіткнення, які вивчають фізики, хоча золото швидко розпадається і залишається повністю невидимим для неозброєного ока.

Це дослідження також є першим прямим вимірюванням цього процесу з використанням даних ВАК, спираючись на теоретичні передбачення та попередні експерименти з нижчими енергіями.

Хоча надії середньовічних алхіміків знову не справдилися, дослідження надає цінну інформацію про електромагнітні процеси у високоенергетичній ядерній фізиці та практичні дані для вдосконалення конструкцій майбутніх колайдерів.