Oamenii de știință au văzut cum plumbul se transformă în aur la propriu în acceleratorul de particule LHC

Oamenii de știință au văzut cum plumbul se transformă în aur la propriu în acceleratorul de particule LHC (Large Hadron Collider). Asta după ce vreme îndelungată, în Evul Mediu, o veritabilă obsesie a mistuit mințile învățaților: transformarea plumbului comun, anost, în strălucitorul și purul aur. O căutare febrilă a Pietrei Filosofale, o manie a transmutării ce părea condamnată la eșec.

Poate că alchimiștii de odinioară, în visele lor cele mai îndrăznețe, nu și-au imaginat că secretul zăcea nu într-un athanor mistic, ci într-un colos al tehnologiei moderne: un accelerator de particule. Conform unui studiu recent, celebrul Large Hadron Collider (LHC) de la CERN a reușit performanța de a genera aproximativ 86 de miliarde de nuclee de aur din coliziunea nucleelor de plumb la viteze amețitoare, în timpul celei de-a doua etape de funcționare, între anii 2015 și 2018.^[sursa]

Plumbul se transformă în aur, dar nu așa cum am vrea

Desigur, nu vorbim despre lingouri palpabile – cantitatea de aur astfel creată este infimă, măsurându-se în trilionimi de gram. Și nici nu este un aur durabil; existența sa este efemeră, limitată la fracțiuni de secundă. Însă adevărata fascinație rezidă în metoda prin care fizicienii au cuantificat această producție microscopică: numărând protonii ce însoțesc neutronii implicați în interacțiunile cu plumbul, cu ajutorul calorimetrelor de grad zero (ZDC) ale detectorului ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

„Datorită capacităților unice ale ZDC-urilor ALICE, această analiză este prima care detectează și analizează sistematic, în mod experimental, semnătura producției de aur la LHC.”, explică fiziciana Uliana Dmitrieva, membră a colaborării ALICE de la CERN.

În tabloul periodic al elementelor, plumbul și aurul sunt vecini cosmici, despărțiți de doar câteva „căsuțe”. Aurul are 79 de protoni, iar plumbul 82; teoretic, eliminând câțiva protoni (și neutroni) dintr-un atom de plumb, se obține un atom de aur.

Procesul amintește de crisopeea visată de alchimiști, însă realitatea este infinit mai complexă. Este nevoie de un accelerator de particule capabil să propulseze atomii la energii colosale pentru a forța această transformare.

Pe scurt, este un demers extrem de costisitor energetic, necesitând echipamente ultraspecializate și extrem de scumpe. Dacă scopul ar fi obținerea aurului în sine, aceasta ar fi, probabil, cea mai ineficientă metodă imaginabilă din punct de vedere al efortului, costurilor și resurselor.

Cu toate acestea, tocmai datorită masei sale atomice mari, plumbul este un candidat preferat în experimentele ce implică ciocniri de particule, iar aurul apare, fulgurant, ca un produs secundar al acestor interacțiuni cosmice în miniatură.

Interesant este că echipa ALICE a cuantificat producția de aur nu doar din coliziuni frontale, ci și din așa-numitele „ciocniri ultras periferice” – atunci când nucleele de plumb aproape că se „ratează”, trecând la viteze amețitoare, de 99,999993% din viteza luminii, unul pe lângă celălalt în vastul inel al LHC.

La aceste viteze relativiste, câmpul electromagnetic al nucleului de plumb, cu cei 82 de protoni ai săi, devine extrem de intens și se „aplatizează” perpendicular pe direcția de mișcare. Când două astfel de nuclee trec suficient de aproape, acest câmp generează un impuls de fotoni de înaltă energie.

O astfel de interacțiune foton-nucleu poate apoi „zgudui” structura internă a nucleului de plumb, determinându-l să ejecteze neutroni și protoni.

Aurul nu este singurul element nou-născut din acest balet atomic. Ejectarea nucleonilor poate duce la formarea unui nucleu de taliu (81 de protoni, 123 de neutroni) sau a unuia de mercur (80 de protoni, 121 de neutroni).

Folosind detectoarele ZDC pentru a număra neutronii liberi eliberați alături de unul, doi sau trei protoni (corespunzând taliului, mercurului, respectiv aurului), colaborarea ALICE a cuantificat producția tuturor celor trei elemente în timpul aceleiași campanii de experimente la LHC.

Taliul și mercurul apar în cantități considerabil mai mari decât aurul, însă chiar și prețiosul metal este generat la o rată maximă de aproximativ 89.000 de nuclee pe secundă în urma interacțiunilor plumb-plumb din apropierea punctului de coliziune ALICE.

În total, pentru întreaga a doua perioadă de funcționare a LHC, cantitatea de aur produsă a fost cu adevărat microscopică: doar 29 de picograme (trilionimi de gram). Pentru a pune în perspectivă, aceasta este scara la care biologii măsoară masa unei bacterii. Un singur gram de aur conține sextilioane de atomi!

Mai mult, aceste nuclee de aur create la viteze relativiste nu apucă să „trăiască” prea mult. Aproape instantaneu, ele se ciocnesc de pereții interiori ai LHC-ului, dezintegrându-se într-o cascadă de protoni, neutroni și electroni. Alchimiștii medievali, cu visul lor de a umple cufere, ar fi fost, fără îndoială, profund dezamăgiți.

Însă noi, cei de astăzi, nu putem fi decât fascinați. Este o demonstrație uluitoare a măiestriei științifice: nu doar că putem accelera atomi la viteze apropiate de cea a luminii și îi putem face să interacționeze, dar putem și descifra cu precizie transformările pe care le suferă. Este o realizare care depășește cu mult cele mai fanteziste vise ale înaintașilor noștri.

„Este impresionant să vedem că detectoarele noastre pot gestiona coliziuni frontale care produc mii de particule”, a afirmat fizicianul de particule Marco van Leeuwen de la Universitatea Utrecht, purtător de cuvânt al colaborării ALICE, „dar sunt în același timp suficient de sensibile pentru a detecta interacțiuni în care se produc doar câteva particule, permițând studierea acestor procese electromagnetice rare de «transmutare nucleară».”