Учёные взаправду превратили свинец в золото — но очень мало и совсем ненадолго

Учёные из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) зафиксировали образование атомов золота в ходе экспериментов с ионами свинца в Большом адронном коллайдере (БАК). В результате сближений тяжёлых ядер, ускоренных почти до скорости света, было создано около 86 млрд ядер золота — всего 29 пикограммов, или триллионные доли грамма, что сопоставимо с массой нескольких бактерий.

Источник изображений: CERN

Речь идёт не о прямых столкновениях, а о близком прохождении тяжёлых ядер свинца, движущихся по кольцу БАК со скоростью 99,999993 % от скорости света. При таких скоростях ядро с 82 протонами формирует уплощённое электромагнитное поле, направленное перпендикулярно траектории движения. Когда два ядра пролетают достаточно близко друг к другу, в результате их взаимодействия формируется фотонный импульс. Один из таких фотонов может нарушить внутреннюю структуру ядра, вызвав выброс протонов и нейтронов.

Свинец и золото находятся рядом в периодической таблице: у свинца 82 протона, у золота — 79. Если выбить из атома свинца несколько протонов и часть нейтронов, он может превратиться в атом золота. Этот процесс напоминает хризопею (др.-греч. χρυσός — золото) — превращение неблагородных металлов в золото, к которому стремились алхимики. Однако на практике для этого требуется ускоритель частиц, способный разогнать ядра до огромных энергий. Это крайне энергоёмкий и неэффективный способ получения золота, требующий сложного и дорогостоящего оборудования.

Физики использовали калориметры нулевой степени (ZDCs), входящие в состав установки ALICE, чтобы подсчитать количество свободных нейтронов, сопровождаемых одним, двумя или тремя протонами. Это позволило количественно оценить образование трёх элементов в рамках одного запуска БАК: золота, ртути (80 протонов, 121 нейтрон) и таллия (81 протон, 123 нейтрона). Таллий и ртуть формируются в значительно больших количествах по сравнению с золотом, однако образование золота всё же было зафиксировано — с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду вблизи точки столкновения пучков в установке ALICE.

Детектор ALICE в БАК, используемый учёными CERN

Образующиеся при столкновениях ядра золота существуют лишь доли секунды. Почти сразу после формирования они сталкиваются со стенками БАК и распадаются в потоке протонов, нейтронов и электронов. Алхимики прошлого были бы глубоко разочарованы, но не современные учёные. Для них это захватывающая возможность наблюдать, как атомы сталкиваются почти на световых скоростях и как они меняются в результате этих взаимодействий.

По словам физика Марко ван Леувена (Marco van Leeuwen) из Утрехтского университета (Utrecht University), используемые детекторы ALICE способны фиксировать как масштабные лобовые столкновения, порождающие тысячи частиц, так и редкие события, при которых образуются лишь единичные ядра. Это открывает путь к экспериментальному изучению редких электромагнитных процессов ядерной трансмутации.