Используя Большой адронный коллайдер, ученые достигли почти полного столкновения ядер свинца на высоких скоростях, что привело к образованию незначительного количества золота. Данные об этом взаимодействии были получены с помощью детектора ALICE.
Много веков назад алхимики стремились преобразовать доступный и распространенный свинец в ценное золото, однако ни одному из них это не удалось. Для удаления двух нейтронов и трех протонов из свинца потребовалась бомбардировка нуклонами или в ускорительном кольце Большого адронного коллайдера. Можно сказать, для исполнения алхимической мечты потребовалось сотрудничество ученых и инженеров со всего мира.
Для преобразования не потребовалось взаимодействие заряженных частиц. Ученые заставили сильно разогнанные ядра свинца проходить очень близко друг к другу. Когда ядра промахиваются друг мимо друга, не «касаясь», окружающие их интенсивные электромагнитные поля могут вызывать фотон-фотонные и фотон-ядерные взаимодействия.
Ядерные частицы движутся с высокой скоростью, что приводит к изменению конфигурации электромагнитного поля, окружающего их. В результате формируется кратковременный импульс фотонов. Это инициирует процесс электромагнитной диссоциации: фотон, взаимодействующий с ядром, способен вызывать колебания его внутренней структуры. Возможен выброс небольшого количества нейтронов и протонов из ядра. Так, из свинца, содержащего 82 протона образуются таллий (81 протон), ртуть (80 протонов) и золото (79 протонов).
Содержание золота крайне незначительно и не образует осадка. Полученные ядра, как правило, нестабильны: при энергиях, используемых в Большом адронном коллайдере, образовавшиеся металлы распадаются на более простые элементы в процессе взаимодействия со стенками ускорителя.
Анализ экспериментальных данных выявил, что в период работы Большого адронного коллайдера в 2015–2018 годах в ходе четырех основных экспериментов было произведено приблизительно 86 миллиардов ядер золота. Это соответствует массе около 29 пикограммов. Мощность БАК постоянно растет благодаря регулярным обновлениям, и третий запуск ускорителя произвел почти вдвое больше золота. Но все еще, чтобы получить один грамм золота, потребуется приблизительно 500 миллионов лет непрерывной работы системы.
По данным детекторов, используемых в эксперименте, ученые могут установить, претерпели ли ядра свинца какие-либо изменения ALICE. Они преимущественно фиксируют информацию о протонах и нейтронах, выделяемых в процессе взаимодействия ядер. Кроме того, ядра, подвергшиеся изменениям, отклоняются от основного пучка, на который настроено оборудование. Степень отклонения служит дополнительным показателем массы образовавшегося объекта. Информация об эксперименте была опубликована в журнале Physical Review Journals.
«Благодаря уникальным возможностям калориметров нулевого угла ( ZDC) на детекторе ALICE мы впервые смогли систематически наблюдать и анализировать создание золота в БАК в процессе экспериментов», — отметила физик Ульяна Дмитриева (Uliana Dmitrieva) из коллаборации ALICE.