ALICE v LHC: Olovo sa mení na zlato v zlomku sekundy

Experiment ALICE v CERN-e dokázal premenu olova na zlato pomocou extrémne silných elektromagnetických polí vznikajúcich pri zrážkach ťažkých iónov. Hoci ide o splnený sen alchymistov, množstvo zlata je zanedbateľné.

Stredovekí alchymisti snívali o premene obyčajných kovov na drahé zlato. Táto snaha, známa ako chryzopoéia, bola motivovaná podobnou hustotou olova a zlata. Až oveľa neskôr sa zistilo, že ide o rozdielne chemické prvky, pričom chemické metódy nemôžu jeden prvok premeniť na druhý.

S nástupom jadrovej fyziky v 20. storočí sa zistilo, že ťažké prvky sa môžu premieňať na iné, prirodzene rádioaktívnym rozpadom alebo v laboratóriu, bombardovaním neutrónmi alebo protónmi. Hoci sa zlato umelo vyrobilo už predtým, ALICE teraz zmerala premenu olova na zlato novým mechanizmom – pri takmer kolíziách jadier olova v LHC.

Pri extrémne vysokoenergetických zrážkach jadier olova v LHC môže vznikať kvark-gluónová plazma, horúci a hustý stav hmoty, ktorý pravdepodobne vyplnil vesmír zhruba milióntinu sekundy po Veľkom tresku a dal vzniknúť hmote, ktorú poznáme dnes. Avšak, pri oveľa častejších interakciách, keď sa jadrá tesne minú bez „dotyku“, môžu silné elektromagnetické polia indukovať fotón-fotónové a fotón-jadrové interakcie, ktoré otvárajú ďalšie možnosti výskumu.

Komentár redakcie: Úspech experimentu ALICE spočíva v schopnosti detegovať a analyzovať produkciu zlata pri extrémnych podmienkach LHC. Výsledky prispievajú k lepšiemu pochopeniu elektromagnetickej disociácie, čo má význam pre prevádzku a budúce projekty urýchľovačov.

Elektromagnetické pole vyžarované z jadra olova je mimoriadne silné, pretože jadro obsahuje 82 protónov, každý nesúci jeden elementárny náboj. Navyše, veľmi vysoká rýchlosť, ktorou sa jadrá olova pohybujú v LHC (zodpovedajúca 99,999993 % rýchlosti svetla), spôsobuje, že siločiary elektromagnetického poľa sú stlačené do tenkej placky, priečne k smeru pohybu, čím vzniká krátky pulz fotónov. Často to spúšťa proces nazývaný elektromagnetická disociácia, pri ktorom fotón interagujúci s jadrom môže excitovať oscilácie jeho vnútornej štruktúry, čo vedie k vyvrhnutiu malého počtu neutrónov a protónov. Na vytvorenie zlata (jadro obsahujúce 79 protónov) musia byť z jadra olova v zväzkoch LHC odstránené tri protóny.

Tím ALICE použil kalorimetre s nulovým uhlom (ZDC) detektora na počítanie počtu interakcií fotónov s jadrom, ktoré viedli k emisii nula, jedného, dvoch a troch protónov sprevádzaných aspoň jedným neutrónom, ktoré sú spojené s produkciou olova, tália, ortuti a zlata, v uvedenom poradí. Hoci je tvorba tália alebo ortuti menej častá, výsledky ukazujú, že LHC v súčasnosti produkuje zlato maximálnou rýchlosťou približne 89 000 jadier za sekundu pri zrážkach olova s olovom v bode zrážky ALICE. Jadrá zlata vychádzajú zo zrážky s veľmi vysokou energiou a narážajú na potrubie zväzku LHC alebo kolimátory v rôznych bodoch po prúde, kde sa okamžite fragmentujú na jednotlivé protóny, neutróny a iné častice. Zlato existuje len zlomok sekundy.

Analýza ALICE ukazuje, že počas Run 2 LHC (2015 – 2018) bolo vo štyroch hlavných experimentoch vytvorených približne 86 miliárd jadier zlata. Hmotnostne to zodpovedá len 29 pikogramom (2,9 × 10-11 g). Vzhľadom na to, že svietivosť v LHC sa neustále zvyšuje vďaka pravidelným vylepšeniam strojov, Run 3 vyprodukoval takmer dvojnásobné množstvo zlata ako Run 2, ale celkové množstvo je stále biliónkrát menšie, ako by bolo potrebné na výrobu šperku. Aj keď sa sen stredovekých alchymistov technicky splnil, ich nádeje na bohatstvo sa opäť rozplynuli.