Свинец в золото: с помощью Большого адронного коллайдера ученые решили главную задачу алхимиков

Средневековые алхимики столетиями грезили о превращении свинца в золото. Однако с развитием химии стало окончательно ясно, что это совершенно разные химические элементы, отличающиеся числом протонов в ядре, и химическим путем превратить один в другой попросту невозможно. С зарождением ядерной физики в XX веке выяснилось, что на самом деле переход одного элемента в другой все же возможен, но уже на уровне атомных ядер. Это может происходить как естественным путем, в результате радиоактивного распада нестабильных изотопов, так и в лабораторных условиях, под воздействием потоков нейтронов или высокоэнергетических протонов. 

Золото из свинца

Золото действительно уже получали ранее таким “ядерным” путем из других элементов. Однако коллаборация ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе впервые зафиксировала превращение свинца в золото посредством совершенно нового и уникального механизма – сильного электромагнитного взаимодействия между ядрами свинца при их сверхсближении. 

Эксперименты на БАК

В экспериментах на БАК пучки ядер свинца разгоняются до колоссальных энергий, достигая 99,999993% скорости света, и сталкиваются. При лобовых столкновениях на таких энергиях может образовываться кварк-глюонная плазма – экстремально горячая и плотная форма материи, из которой, как считается, в первые микросекунды после Большого взрыва состояла Вселенная. Однако гораздо чаще ядра свинца пролетают не сталкиваясь напрямую, лишь оказываясь на очень близком расстоянии друг от друга. И вот тут в игру вступают их мощнейшие электромагнитные поля.  

Химическая математика

Ядро свинца содержит 82 протона, каждый из которых несет элементарный положительный заряд. Когда ядра свинца движутся со скоростью, близкой к скорости света, их электромагнитные поля "сплющиваются" в тонкий, интенсивно заряженный "блин", расположенный перпендикулярно направлению движения. Для пролетающего мимо ядра этот "блин" выглядит как кратковременный, но чрезвычайно мощный импульс фотонов – квантов электромагнитного поля. В результате такого электромагнитного взаимодействия между близко пролетающими ядрами запускается процесс, называемый электромагнитной диссоциацией: фотон, испущенный одним ядром, поглощается другим ядром, возбуждая колебания его внутренней структуры. Это возбуждение может быть настолько сильным, что ядро выбрасывает одну или несколько составляющих его частиц – нейтронов или протонов. 

Чтобы превратить ядро свинца, содержащее 82 протона, в ядро золота, у которого 79 протонов, необходимо, чтобы ядро свинца в результате взаимодействия выбросило ровно три протона. Выброс другого числа протонов или нейтронов привел бы к образованию ядер других элементов, таких как таллий (81 протон), ртуть (80 протонов) или даже изотопов свинца (при выбросе только нейтронов).  

Ученые даже смогли оценить скорость этого процесса: в точке столкновения пучков в БАК золото образовывалось с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду. Подсчитав общее количество таких событий за весь сеанс работы БАК на четырех основных экспериментах, ученые пришли к выводу, что всего было создано около 86 миллиардов ядер золота. По массе это составляет всего 29 пикограммов (2,9 * 10⁻¹¹ грамма) – ничтожное количество, в триллионы раз меньше, чем нужно для изготовления даже самого крошечного золотого украшения. Более того, новообразованные ядра золота, вылетая из зоны столкновения с огромной энергией, почти мгновенно сталкиваются со стенками трубы коллайдера или коллиматорами и разрушаются, распадаясь на отдельные протоны, нейтроны и другие частицы. Таким образом, это "золото" существует лишь доли секунды.