В статье, опубликованной в Physical Review Journals, группа разработчиков сверхчувствительного детектора ALICE, работающего на Большом адронном коллайдере (БАК), сообщает о результатах измерений, которые позволяют количественно оценить трансмутацию свинца в золото.

Превращение неблагородного металла свинца в драгоценный металл золото было мечтой средневековых алхимиков. Это давнее стремление, известное как хризопея, было вызвано, скорее всего, наблюдением, что тускло-серый, относительно распространенный свинец имеет такую же плотность, как и золото, которое издавна ценилось за свой красивый блеск, редкость и стойкость перед едкими веществами. Лишь намного позже стало ясно, что свинец и золото — это разные химические элементы и что химические методы бессильны превратить простой металл в благородный.

С развитием ядерной физики в XX веке было обнаружено, что тяжелые элементы могут превращаться в элементы с меньшим атомным весом либо естественным путем в результате радиоактивного распада, либо в лабораторных условиях под воздействием ускоренных нейтронов или протонов. Хотя золото уже получалось таким образом, команда ALICE впервые безусловно подтвердила превращение свинца в золото с помощью неупругих столкновений ядер свинца на Большом адронном коллайдере.

Столкновения ядер свинца с очень высокой энергией могут создавать кварк-глюонную плазму — горячее и сверхплотное состояние материи, которое, как считается, заполнило Вселенную через миллионную долю секунды после Большого взрыва. Именно эта плазма породила известную нам барионную материю. Однако в более естественных условиях, например в БАК, ядра просто проходят мимо друг друга. При этом интенсивные электромагнитные поля, окружающие их, могут вызывать взаимодействия между фотонами и ядрами.

Электромагнитное поле, генерируемое ядром свинца, особенно сильное, потому что ядро содержит 82 протона, каждый из которых имеет единичный элементарный заряд. Очень высокая скорость, с которой ядра свинца движутся в БАК (99,999993% скорости света), приводит к тому, что линии электромагнитного поля сплющиваются в тонкий блин, поперечный направлению движения. Это создает кратковременный импульс фотонов. Часто это запускает процесс, называемый электромагнитной диссоциацией, при котором фотон, взаимодействующий с ядром, может возбуждать колебания его внутренней структуры. Это приводит к выбросу небольшого количества нейтронов и протонов. Чтобы создать золото (ядро, содержащее 79 протонов), из ядра свинца в пучках БАК необходимо «выбить» три протона.

Детекторы ALICE могут регистрировать столкновения, при которых образуются и тысячи, и всего несколько частиц. Это позволяет изучать процессы электромагнитной «ядерной трансмутации с богатым и бедным выходом.

Команда ALICE использовала сверхчувствительные калориметры для подсчета количества взаимодействий фотонов с ядрами свинца. Такие столкновения могут привести к выделению одного, двух и трех протонов в сопровождении как минимум одного нейтрона. В результате образуются ядра таллия, ртути и золота соответственно. Если из ядра вылетает только нейтрон, получается более легкий изотоп свинца.

Хотя образование таллия или ртути происходит чаще, результаты показывают, что БАК производит золото с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду. Ядра золота возникают в результате столкновения с очень высокой энергией и попадают в трубу БАК или коллиматоры в различных точках ниже по потоку, где они немедленно распадаются на отдельные протоны, нейтроны и другие частицы. Золото существует в коллайдере в виде ядер всего лишь крошечную долю секунды.

Анализ ALICE показывает, что во время второго сеанса работы БАК (2015–2018 гг.) в четырех основных экспериментах было создано около 86 миллиардов ядер золота. По массе это соответствует всего 29 пикограммам (2,9 × 10-11 г). Поскольку производительность Большого адронного коллайдера постоянно увеличивается, в ходе 3-го сеанса было получено почти в два раза больше золота, чем во время 2-го сеанса, но общая сумма все равно в триллионы раз меньше, чем потребовалось бы для изготовления ювелирного изделия. Хотя мечта средневековых алхимиков технически осуществилась, их надежды на богатство снова не оправдались.

В Большом адронном коллайдере ученым удается получить не только золото, но и совсем редкие и неуловимые частицы.