Материал Элизабет Гибни из журнала «Nature».
В лабораториях ЦЕРН удалось превратить свинец в золото — пусть и на микросекунду.
Алхимия XXI века: золото из свинца на ускорителе
Мечта средневековых алхимиков была претворена в жизнь благодаря работе физиков в Европейском центре ядерных исследований — ЦЕРН (фр. CERN — Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), расположенном рядом с Женевой, Швейцария. Именно здесь работает крупнейшая в мире установка по ускорению частиц — Большой адронный коллайдер, или LHC (Large Hadron Collider). На этом уникальном ускорителе физики впервые смогли превратить атомы свинца в атомы золота. Да, золото «прожило» всего около одной микросекунды (одной миллионной доли секунды), и его получилось мизерное количество. Да, этот процесс обходится гораздо дороже самого золота. Однако факт остается фактом: научная фантастика стала реальностью.
Как работает превращение?
Во время одного из этапов эксперимента в коллайдере встречаются два пучка ионов свинца (атомов, у которых удалены некоторые электроны). Эти пучки разгоняют до скоростей, близких к скорости света (то есть примерно 300 000 км/с). В большинстве случаев ионы сталкиваются лоб в лоб, вызывая масштабные ядерные реакции. Однако иногда они просто проскальзывают мимо друг друга — это называется гладкое прохождение.
И вот здесь начинается магия. Когда ионы проходят на очень малом расстоянии друг от друга, их электромагнитные поля становятся настолько мощными, что создают всплеск энергии. Этот всплеск может выбить три протона из ядра свинца. Атом свинца, в котором 82 протона, теряет три и превращается в золото — ведь у золота 79 протонов. Это и есть ядерная трансмутация — изменение одного химического элемента в другой за счет изменения структуры ядра.
ALICE: детектор, который видит рождение золота
Следить за этим редким и коротким процессом способен лишь специальный эксперимент — ALICE, что расшифровывается как A Large Ion Collider Experiment — «Эксперимент на Большом ионном коллайдере». Это одна из четырех основных установок, подключенных к коллайдеру, и она специально предназначена для изучения столкновений тяжелых ионов.
С помощью сложных фильтров и детекторов эта установка смогла выделить именно те случаи, когда происходила трансмутация свинца в золото, и отличить их от остальных продуктов столкновений. По данным, опубликованным в журнале «Physical Review» от 7 мая, за период с 2015 по 2018 год во время таких столкновений удалось создать примерно 86 млрд атомов золота. По массе это всего 29 триллионных долей грамма. Почти все эти атомы были крайне нестабильными и разрушались в течение одной микросекунды после рождения, сталкиваясь с деталями установки или распадаясь на элементарные частицы.
Что это значит для науки?
Хотя подобные атомы золота рождаются каждый раз при столкновении пучков свинца, только установка ALICE способна их зафиксировать. Как объясняет физик и участница проекта ALICE Ульяна Дмитриева, это первый случай, когда процесс образования золота в ускорителе был систематически обнаружен, выделен и проанализирован.
К слову, подобный эффект уже наблюдали ранее, в 2002–2004 годах, на другом ускорителе — SPS, или Super Proton Synchrotron (Суперпротонный синхротрон). Это более старая и менее мощная установка в том же ЦЕРН. Однако, как поясняет физик Цзяньен Цзя из Университета Стоуни-Брук (США), новые эксперименты проходили при гораздо более высокой энергии, создавали золото с большей вероятностью и давали значительно более чистые, точные данные.
Не ради золота, а ради ускорителей будущего
Создание золота не было целью этих экспериментов. Никто в ЦЕРНе не собирается запускать производство драгметаллов — это физически и экономически невозможно. Главное — понять, как фотоны (частицы света) могут воздействовать на ядра атомов, вызывая их превращение. Это важно не только для фундаментальной науки, но и для повышения точности и стабильности ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер. По словам Цзяньена Цзя, именно такие знания позволяют улучшать качество пучков частиц и управлять их поведением с высокой точностью.
Таким образом, свинец действительно стал золото, но лишь на мгновение. И это стало возможно не благодаря магии, а благодаря мощи человеческого разума и технологий. Настоящая алхимия XXI века — в том, чтобы приручить законы природы, не нарушая их.
