Недавно я писал о том, откуда во Вселенной берётся золото, а теперь учёным удалось получить его самостоятельно в лаборатории. В статье, опубликованной в журнале Physical Review, коллаборация ALICE сообщает об трансмутации свинца в золото на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.
Превращение неблагородного металла свинца в драгоценный металл золото было мечтой средневековых алхимиков. Поводом для этих давних поисков могло послужить наблюдение, что тускло-серый, относительно распространённый свинец по плотности схож с золотом. Лишь много позже стало ясно, что свинец и золото — разные химические элементы и что химические методы бессильны превратить один в другой.
С появлением ядерной физики в XX веке было обнаружено, что тяжёлые элементы могут превращаться в другие либо естественным путём, в результате радиоактивного распада, либо в лаборатории, под воздействием бомбардировки нейтронами или протонами. Хотя золото и раньше получали искусственным путём, теперь коллаборация ALICE измерила трансмутацию свинца в золото с помощью нового механизма, связанного с близкими столкновениями ядер свинца на БАКе.
Столкновения ядер свинца на БАКе с очень высокой энергией могут привести к образованию кварк-глюонной плазмы — горячего и плотного состояния материи, которое, как считается, заполнило Вселенную примерно через миллионную долю секунды после Большого взрыва, дав начало известной нам материи. Однако при гораздо более частых взаимодействиях, когда ядра просто пролетают мимо друг друга, не «касаясь», интенсивные электромагнитные поля, окружающие их, могут вызывать фотон-фотонные и фотон-ядерные взаимодействия, которые открывают дальнейшие пути для исследований.
Электромагнитное поле, исходящее от ядра свинца, особенно сильно, поскольку ядро содержит 82 протона, каждый из которых несёт один элементарный заряд. Более того, очень высокая скорость, с которой ядра свинца движутся в БАКе (соответствующая 99,999993 % скорости света), приводит к тому, что линии электромагнитного поля сминаются в тонкий «блин», поперечный направлению движения, создавая короткоживущий импульс фотонов. Часто это запускает процесс, называемый электромагнитной диссоциацией, при котором фотон, взаимодействуя с ядром, может возбудить колебания его внутренней структуры, что приводит к выбросу небольшого количества нейтронов и протонов. Чтобы создать золото (ядро, содержащее 79 протонов), необходимо удалить три протона из ядра свинца в пучках БАК.
Иллюстрация ультрапериферийного столкновения, при котором два пучка ионов свинца (208Pb) на БАК проходят рядом друг с другом, не сталкиваясь. В процессе электромагнитной диссоциации фотон, взаимодействуя с ядром, может возбудить колебания его внутренней структуры и привести к вылету небольшого количества нейтронов (двух) и протонов (трёх), оставляя после себя ядро золота (203Au)
«Впечатляет то, что наши детекторы могут обрабатывать лобовые столкновения, в которых образуются тысячи частиц, и в то же время они чувствительны к столкновениям, в которых образуется всего несколько частиц за раз, что позволяет изучать электромагнитные процессы „ядерной трансмутации“», — говорит Марко Ван Лёвен, представитель ALICE.
Анализ ALICE показывает, что во время второго запуска БАК (2015-2018 гг.) в четырёх основных экспериментах было создано около 86 миллиардов ядер золота. В пересчёте на массу это соответствует всего 29 пикограммам (2,9 ×10^-11 г). Поскольку светимость БАКа постоянно увеличивается благодаря регулярной модернизации оборудования, в ходе третьего эксперимента было получено почти вдвое больше золота, чем в ходе второго, но всё равно это в триллионы раз меньше, чем требуется для изготовления ювелирных изделий. Хотя мечта средневековых алхимиков технически сбылась, их надежды на богатство мы пока исполнить не в состоянии.
Источник: habr.com
