Мечта алхимиков Средневековья — превратить обычный свинец в драгоценное золото — стала реальностью благодаря ученым на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе. Коллаборация ALICE опубликовала результаты, показывающие, как столкновения ядер свинца на Большом адронном коллайдере создают крошечные частицы золота.

Свинец и золото похожи по плотности, но это разные химические элементы: в ядре свинца 82 протона, а в золоте — 79. Алхимики не могли изменить количество протонов, но в 20 веке ученые научились трансформировать элементы с помощью ядерных реакций, например, бомбардируя ядра нейтронами или протонами. Теперь ALICE нашла новый способ: «почти столкновения» ядер свинца, когда они не соприкасаются, но создают мощные электромагнитные поля.

На Большом адронном коллайдере ядра свинца разгоняются до скорости, близкой к световой (99,999993%). Это создает сильное электромагнитное поле, которое сжимается в «блин» и выпускает короткие импульсы фотонов. Когда два ядра свинца проходят рядом, их поля взаимодействуют, вызывая процесс, называемый электромагнитной диссоциацией. Фотон может «встряхнуть» ядро свинца, заставляя его выбрасывать протоны и нейтроны. Если из ядра свинца выбить три протона, оно превращается в ядро золота.

Детектор ALICE, оснащенный калориметрами нулевого угла (ZDC), фиксировал, сколько протонов и нейтронов вылетает при таких взаимодействиях. Ученые подсчитали, что при столкновениях свинца образуются ядра таллия (81 протон), ртути (80 протонов) и золота (79 протонов). Золото появляется реже, но все равно впечатляюще: около 89 000 ядер золота в секунду на точке столкновений ALICE. За время работы LHC с 2015 по 2018 годы (Run 2) было создано 86 миллиардов ядер золота — это всего 29 пикограммов (0,000000000029 грамма). В Run 3 (с 2022 года) производство золота удвоилось благодаря улучшениям коллайдера, но это все еще ничтожно мало.

Марко Ван Леувен, представитель ALICE, отметил: «Наши детекторы справляются с тысячами частиц при прямых столкновениях и при этом улавливают редкие события, позволяя изучать ядерные превращения». Эксперимент не только подтверждает возможность трансмутации, но и улучшает теоретические модели электромагнитной диссоциации. Это помогает лучше понимать потери пучка в LHC, что важно для его работы и будущих коллайдеров. Ульяна Дмитриева из ALICE добавила: «Мы впервые систематически изучили производство золота на Большом адронном коллайдере с помощью уникальных возможностей». Джон Джоуэтт подчеркнул, что эти данные совершенствуют модели, влияющие на производительность коллайдеров.

Созданное золото не задерживается: ядра с огромной энергией врезаются в стенки Большого адронного коллайдера или коллиматоры и тут же распадаются на протоны, нейтроны и другие частицы. Они существуют лишь доли секунды. Хотя мечта алхимиков сбылась, разбогатеть на этом не получится — золота слишком мало, и оно мгновенно исчезает.