На протяжении веков алхимики мечтали превратить свинец в золото. На Большом адронном коллайдере (БАК) им наконец-то удалось это сделать. Не было ни заклинаний, ни волшебных эликсиров. Это были просто высокоскоростные ионы свинца, летящие со скоростью почти как свет и едва не пролетающие друг мимо друга.

Несмотря на то, что она длилась всего долю секунды, команда физиков в настоящее время наблюдала и измерила эту современную трансмутацию. Это первый случай, когда производство золота на БАК было напрямую количественно оценено, и это меняет наше представление о том, на что способны эти столкновения.

Философский камень

Глубоко под франко-швейцарской границей 27-километровое подземное кольцо ЦЕРНа похоже на современный философский камень. Говорили, что это легендарное алхимическое вещество обладает способностью превращать «обычные» металлы в золото. БАК делает гораздо больше.

В нескольких экспериментах он ускорял ионы свинца со скоростью, превышающей 99,999993% от скорости света. Большинство из них сталкивались лоб в лоб, создавая крошечные, но мощные огненные шары, которые имитируют условия ранней Вселенной. Но иногда, когда условия подходят, они пасутся друг мимо друга. Именно так физики называют Ультрапериферические столкновения . Никакого контакта или слияния, только безумно быстрое электромагнитное рукопожатие.

Эти близкие промахи высвобождают сверхмощные электромагнитные поля, достаточно сильные, чтобы испускать короткие всплески фотонов (световых частиц). Эти фотоны обладают достаточной энергией, чтобы выбить несколько протонов и нейтронов из атомных ядер. Этот процесс, называемый электромагнитная диссоциация — это то, что позволяет ядру свинца-208 (с 82 протонами) выделять ровно столько протонов, сколько нужно, а точнее три, чтобы стать золотом.

Химический элемент определяется тем, сколько протонов содержит его ядро. У водорода он есть. У карбона их шесть. Золото имеет 79. Если вы измените количество протонов, вы измените сам элемент. Поэтому, когда атом свинца (82 протона) теряет три протона, это уже не свинец, а золото. Это не химия; Это ядерная физика.

Открывает ли ЦЕРН ювелирный магазин?

Во время второго прогона БАКа, который длился с 2015 по 2018 год, эти столкновения между ядрами свинца создавали около 89 000 атомов золота каждую секунду. Это означает, что в среднем новое ядро золота формировалось каждые 11 микросекунд. В последующем Run 3, где энергия была увеличена, она была увеличена примерно до 178 000 атомов золота в секунду. Но в одном грамме золота содержится около 3057 миллиардов Миллиардов атомов.

Это даже не самая большая проблема. Эти атомы «рождались» с невероятными скоростями, встроенные в пучок частиц высокой энергии. Через долю секунды после того, как они были созданы, они разбились на материю, раздробившись на субатомные обломки. Их жизнь была золотой, но в то же время короткой и жестокой. Этот метод также стоит намного дороже, чем рыночная цена золота.

Но это достижение важно с другой точки зрения.

Эти столкновения и близкие к ним столкновения проверяют те самые модели, которые мы используем, чтобы понять, как материя ведет себя в экстремальных условиях. Это полезно для нашего базового понимания Вселенной, а также для планирования будущих экспериментов на ускорителях частиц. Понимание того, как и когда ядра теряют протоны, помогает инженерам разрабатывать более эффективные системы управления пучком и избегать дорогостоящих отключений.

Золото было не единственным элементом, полученным в результате эксперимента. Таллий (81 протон) и ртуть (80 протонов) также производились, причем в гораздо больших количествах, чем золото.

Так как же они его измеряли?

Настоящим достижением в этом исследовании является не создание атомов золота, а точное измерение этого процесса.

Эксперимент ALICE — эксперимент на Большом ионном коллайдере — создан для изучения экзотического супа субатомных частиц, таких как кварки и глюоны, которые выплескиваются из некоторых столкновений. Но он также обладает уникальными возможностями для обнаружения более тонких побочных продуктов отсутствия столкновений.

Чтобы поймать рождение золота, исследователи сосредоточились на последствиях этих скользящих ударов. Вместо того, чтобы наблюдать за тысячами частиц, летящих во все стороны, они искали лишь горстку — в частности, крошечное количество протонов и нейтронов, выброшенных из ядер.

Используя детекторы, называемые калориметрами нулевой степени (ZDC), расположенные далеко от основной точки столкновения, команда ALICE подсчитала события, в которых был сбит один, два или три протонаd отделяется от ядра свинца, в результате чего образуются таллий, ртуть и золото соответственно.

Современная алхимия бьет иначе

После столетий бесплодных поисков мечта алхимиков сбылась — не в задымленном подвале, а в самой передовой в мире физической лаборатории. Не за богатством, а за знаниями.

Раньше люди думали, что это волшебство, которое поможет им достичь. Но это наука; Это всегда наука.

Маловероятно, что эти мимолетные атомы золота когда-нибудь послужат валютой. Но что они ар Покупка — это более глубокое понимание ядерных сил и того, как ведет себя материя, когда она доведена до предела. Возможность наблюдать Такой тонкий процесс, скрытый среди триллионов высокоэнергетических событий, является триумфом экспериментальной физики. Это то, что алхимики, вероятно, тоже оценят по достоинству.