Алхимия XXI века: БАК превращает свинец в золото

Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, опубликовала в журнале Physical Review Journals результаты измерений, подтверждающих трансмутацию ядер свинца в золото. Это достижение символически перекликается с многовековой мечтой алхимиков — хризопеей, или искусственным получением золота из неблагородных металлов. Однако в отличие от алхимических попыток, основанных на химических процессах, современная ядерная физика позволяет преобразовывать элементы через ядерные реакции.

Средневековые алхимики ошибочно полагали, что свинец можно превратить в золото химическими методами, поскольку их плотности близки. Однако с развитием ядерной физики в XX веке стало ясно, что такие превращения требуют изменения числа протонов в ядре.

Естественные процессы радиоактивного распада или искусственная бомбардировка нейтронами и протонами уже позволяли получать золото из других элементов, но механизм, изученный ALICE, основан на принципиально ином подходе — использовании экстремальных электромагнитных полей в релятивистских столкновениях ядер.

Методология эксперимента

На БАК ядра свинца разгоняются до 99,999993% скорости света. При таких энергиях возможны два типа взаимодействий:

1. Лобовые столкновения, создающие кварк-глюонную плазму — состояние материи, существовавшее в ранней Вселенной.
2. Электромагнитные взаимодействия, когда ядра пролетают близко друг к другу, не сталкиваясь. В этом случае их мощные электромагнитные поля (обусловленные 82 протонами в ядре свинца) генерируют импульсы высокоэнергетических фотонов.

Эти фотоны взаимодействуют с ядрами, вызывая электромагнитную диссоциацию — процесс, при котором ядро теряет протоны и нейтроны. Для превращения свинца (Pb, 82 протона) в золото (Au, 79 протонов) необходимо удалить три протона. Детекторы ALICE, включая нулевые калориметры (ZDC), фиксируют такие события, регистрируя выбросы нейтронов и протонов.

Результаты и их значение

Анализ данных второго запуска (Run 2, 2015–2018) показал, что БАК производит около 89 000 ядер золота в секунду в точке столкновения ALICE. За весь период Run 2 было создано 86 миллиардов ядер золота, что эквивалентно 29 пикограммам. В Run 3 (2022–2025) светимость коллайдера увеличилась, и выход золота почти удвоился, но пока даже эти количества ничтожны для практического использования.

Научные и технологические последствия

1. Физика высоких энергий: Исследование подтверждает теоретические модели электромагнитной диссоциации и расширяет понимание ядерных процессов в экстремальных условиях.
2. Оптимизация коллайдеров: Результаты помогают прогнозировать потери пучка, что критически важно для работы БАК и проектирования будущих коллайдеров.
3. Символический аспект: Хотя алхимическая мечта технически реализована, экономическая нецелесообразность подчеркивает разрыв между научными достижениями и прикладными возможностями.

Эксперимент ALICE демонстрирует, что трансмутация элементов возможна в условиях релятивистских столкновений тяжелых ядер, но остается лабораторным феноменом без перспектив промышленного применения. Тем не менее, работа вносит важный вклад в ядерную физику и открывает новые направления для изучения электромагнитных взаимодействий в высокоэнергетических системах.