У Великому адронному колайдері вперше виміряли процес перетворення свинцю на золото

Мрія середньовічних алхіміків про перетворення свинцю на золото нарешті здійснилася, але зовсім не так, як вони собі уявляли. Замість магічних еліксирів та заклинань, це досягнення стало можливим завдяки найпотужнішому у світі прискорювачу частинок — Великому адронному колайдеру (ВАК).

Команда фізиків з Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) вперше провела точні вимірювання процесу перетворення атомів свинцю на золото під час особливого типу зіткнень важких йонів. Хоча утворене золото існує лише частку секунди, це відкриття має важливе значення для розуміння поведінки матерії в екстремальних умовах.

Великий адронний колайдер, розташований на глибині під франко-швейцарським кордоном у тунелі довжиною 27 кілометрів, прискорює йони свинцю до швидкості, що становить 99,999993% від швидкості світла. Під час експериментів більшість частинок зіштовхується лобово, створюючи мініатюрні, але надзвичайно потужні спалахи енергії, що імітують умови раннього Всесвіту.

Однак найцікавіше відбувається під час так званих ультрапериферійних зіткнень, коли йони свинцю проходять дуже близько один від одного, але не стикаються безпосередньо. Такі «близькі промахи» створюють надпотужні електромагнітні поля, які випромінюють короткі спалахи фотонів. Ці фотони мають достатньо енергії, щоб вибити кілька протонів та нейтронів з атомних ядер через процес, відомий як електромагнітна дисоціація.

Хімічний елемент визначається кількістю протонів у його ядрі. Коли ядро свинцю-208 (що має 82 протони) втрачає рівно три протони, воно перетворюється на ядро золота (79 протонів). Це вже не хімічна реакція, а ядерне перетворення.

Під час другого етапу роботи колайдера (Run 2) з 2015 по 2018 рік такі близькі зіткнення створювали приблизно 89 000 атомів золота щосекунди — тобто новий атом золота формувався кожні 11 мікросекунд. На третьому етапі (Run 3), коли енергію було збільшено, швидкість утворення золота зросла приблизно до 178 000 атомів на секунду.

Проте ці вражаючі цифри не варто сприймати як промисловий спосіб виробництва золота. По-перше, для створення всього одного грама золота потрібно приблизно 3,057 мільярда мільярдів атомів. По-друге, утворені атоми золота рухаються з величезною швидкістю у складі високоенергетичного пучка частинок і через частку секунди розпадаються на субатомні частинки при зіткненні з матерією. Крім того, вартість роботи колайдера значно перевищує ринкову вартість золота.

Справжня цінність цього дослідження полягає у можливості перевірити теоретичні моделі поведінки матерії в екстремальних умовах. Це важливо як для фундаментального розуміння Всесвіту, так і для проєктування майбутніх прискорювачів частинок. Розуміння механізмів втрати протонів ядрами допомагає інженерам покращувати контроль пучка частинок та запобігати коштовним зупинкам обладнання.

Експеримент ALICE (A Large Ion Collider Experiment) виявився ідеально придатним для спостереження за цим процесом. Замість відстеження тисяч частинок, що розлітаються в усіх напрямках під час прямих зіткнень, дослідники зосередилися на виявленні невеликої кількості протонів та нейтронів, що вибиваються з ядер під час близьких проходжень.

За допомогою спеціальних детекторів, відомих як Zero Degree Calorimeters (ZDC), розташованих далеко від основної точки зіткнення, команда ALICE змогла підрахувати події, коли з ядра свинцю вибивалося один, два або три протони, що призводило до утворення відповідно талію, ртуті та золота.

Цікаво, що золото не було єдиним елементом, який утворювався під час експерименту. Талій (81 протон) та ртуть (80 протонів) також утворювалися, причому у значно більших кількостях, ніж золото.

Хоча ці короткоживучі атоми золота навряд чи колись стануть валютою, вони надають безцінну інформацію про ядерні сили та поведінку матерії на межі руйнування. Здатність спостерігати такий тонкий процес серед трильйонів високоенергетичних подій є справжнім тріумфом експериментальної фізики.