На Большом адронном коллайдере (БАК) в рамках эксперимента ALICE учёные изучают, что происходит при столкновении тяжёлых ионов. Основная цель — понять свойства кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. Однако, когда сталкиваются ионы свинца, происходят не только фундаментальные физические процессы, но и превращения, напоминающие алхимию: часть свинца может превращаться в золото.
Речь идёт не о мистической алхимии, а о ядерной трансмутации — изменении состава ядра атома. Свинец состоит из 82 протонов и примерно 126 нейтронов. Золото же содержит 79 протонов — всего на три меньше. Таким образом, если каким-то образом убрать из ядра свинца три протона, оно станет золотом.
Хотя преобразование элементов — не основная задача БАК, столкновения ионов свинца на скорости 99,999993% от скорости света создают уникальные условия, в которых возможны редкие трансформации. Некоторые ионы свинца не сталкиваются лоб в лоб, а продолжают вращаться внутри ускорителя. При этом возникающее в коллайдере мощное электромагнитное поле может создавать яркие и очень короткие вспышки света — именно они и способны «выбить» из ядра свинца три протона, превращая его в золото. И главное — учёные смогли зафиксировать этот процесс.
«Впечатляет, что наши детекторы способны одновременно регистрировать как мощные столкновения с тысячами частиц, так и очень редкие события, в которых участвуют всего несколько частиц. Это позволяет нам изучать столь необычные электромагнитные процессы ядерной трансмутации», — отметил Марко ван Лёвен (Marco Van Leeuwen), представитель ALICE.
И дело не только в золоте. Учёные использовали специальные детекторы — калориметры нулевой степени (ZDC), чтобы измерить, как высокоэнергетический свет взаимодействует с ядром иона свинца. Их интересовали случаи, когда выбивается ноль, один, два или три протона, а также теряется один нейтрон. В результате фиксировались не только изменённые атомы свинца, но и образование новых элементов — таллия, ртути и золота.
Хотя золото образуется реже, его всё равно получается довольно много: примерно 89 тысяч ядер золота в секунду при каждом столкновении, из 174 миллиардов ионов свинца в пучке. Однако ждать золотой лихорадки в CERN не стоит — такие количества составляют ничтожно малую долю грамма и разрушаются при столкновениях со стенками ускорителя.
«Благодаря уникальным возможностям калориметров ALICE мы впервые смогли не только зафиксировать, но и систематически изучить экспериментальные признаки образования золота в БАК», — пояснила Ульяна Дмитриева (Uliana Dmitrieva) из коллаборации ALICE.
«Полученные результаты позволяют не только совершенствовать теоретические модели электромагнитного распада, но и помогают понять механизмы потерь частиц в пучках, что критично для эффективности работы БАК и будущих ускорителей», — добавил Джон Джоуэтт (John Jowett), также из ALICE.
Подробности исследования опубликованы в журнале Physical Review C.
