O μόλυβδος μετατράπηκε σε χρυσό
Κάποτε θεωρούνταν αδύνατο, αλλά οι επιστήμονες κατάφεραν να μετατρέψουν τον μόλυβδο σε χρυσό.
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), μήκους 17 μιλίων, που βρίσκεται κάτω από τα γαλλοελβετικά σύνορα, συγκρούει τακτικά βαρέα ιόντα με ταχύτητα σχεδόν φωτός. Αλλά στις 30 Ιουλίου 2025, οι ερευνητές ανέφεραν κάτι που πολλοί πίστευαν ότι ανήκε στη λαογραφία: τα ιόντα μολύβδου μετατράπηκαν στιγμιαία σε χρυσό πριν αποσυντεθούν ξανά σε πιο συνηθισμένη ύλη.
Η ανάλυση δείχνει ότι μια μόνο ροή μολύβδου μπορεί να παράγει χρυσούς πυρήνες με διατομή συγκρίσιμη με τον συνολικό ρυθμό σύγκρουσης αδρονίων. Αυτό καθιστά τη «σύγχρονη αλχημεία» πολύ πιο συνηθισμένη στη σήραγγα από ό,τι περίμενε κανείς.
«Συνήθως στα πειράματα με επιταχυντές, κάνουμε τα σωματίδια να συγκρούονται μεταξύ τους παράγοντας πολλά συντρίμμια», δήλωσε ο Daniel Tapia Takaki, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Κάνσας και επικεφαλής της ομάδας του πειράματος ALICE .
Η ομάδα του ανέπτυξε τη μέθοδο που εντοπίζει τι συμβαίνει όταν τα ιόντα απλώς αλληλεπιδρούν, μια αλληλεπίδραση τόσο καθαρή που σχεδόν τίποτα άλλο δεν εμφανίζεται στους ανιχνευτές εκτός από μια λάμψη φωτός και έναν αλλοιωμένο πυρήνα.
Χρυσός από μόλυβδο, για λίγο
Οι υπερπεριφερειακές συγκρούσεις συμβαίνουν όταν δύο ατομικοί πυρήνες περνούν κοντά ο ένας στον άλλον χωρίς να αγγίζουν, αλλά τα ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία τους εξακολουθούν να αλληλεπιδρούν.
Αντί να διαλυθούν, κάθε ιόν κατακλύζει το άλλο με μια έκρηξη φωτονίων υψηλής ενέργειας, όπως περιγράφεται από τη μέθοδο Weizsäcker Williams, επιτρέποντας σε φωτόνια από έναν πυρήνα να ανιχνεύσουν ή ακόμα και να μετασχηματίσουν το συμπαίκτη του. Αυτή η καταιγίδα φωτονίων μπορεί να εξουδετερώσει ένα, δύο ή τρία πρωτόνια.
Αν χαθούν τρία πρωτόνια, ο πυρήνας μολύβδου-208 μετατρέπεται για λίγο σε πυρήνα χρυσού-205 - εκπληρώνοντας το όνειρο του αλχημιστή, αν και μόνο για περίπου 10⁻²³ δευτερόλεπτα. Αυτό είναι αρκετό χρονικό διάστημα για να αφήσει ένα σήμα στα εμπρόσθια θερμιδομετρικά.
Προηγούμενες δοκιμές του ALICE υπαινίσσονταν ότι υπήρχαν τέτοια καθαρά συμβάντα, αλλά ο ανιχνευτής είχε βελτιστοποιηθεί για ακατάστατες μετωπικές συγκρούσεις. Η ομάδα του Tapia Takaki επαναρύθμισε τις μετρήσεις, πρόσθεσε βέτο και βελτίωσε μια διβάθμια προσαρμογή για να απομονώσει τα νετρόνια από τις κορυφές των πρωτονίων.
Τι αποκαλύπτουν οι συγκρούσεις του παρ' ολίγον ατυχήματος
Επειδή τα φωτόνια δεν φέρουν καθαρό φορτίο, οι αλληλεπιδράσεις φωτονίων ή φωτονίων πυρήνα είναι απαλλαγμένες από τον ψεκασμό αδρονικών υπολειμμάτων που πλήττουν τις κεντρικές συγκρούσεις. Το καθαρό περιβάλλον επιτρέπει στους φυσικούς να μελετήσουν τη δομή του πυρήνα και να δοκιμάσουν την κβαντική εξάπλωση σε προηγουμένως απρόσιτες ενεργειακές κλίμακες.
Η ανάλυση με επικεφαλής το Κάνσας κατέγραψε μια διατομή παραγωγής χρυσού 6,8 barns, μόνο 12% χαμηλότερη από τον συνολικό ανελαστικό ρυθμό των 7,67 barns για τις συνήθεις αλληλεπιδράσεις μολύβδου-μολύβδου στην ίδια ενέργεια.
Αυτό σημαίνει ότι κάθε φορά που ο LHC προκαλεί μια σύγκρουση αδρονικών ιόντων, υπάρχει περίπου ένα άλλο συμβάν κοντά, όπου ένα ιόν μολύβδου μετατρέπεται ήσυχα σε χρυσό και στη συνέχεια αποσυντίθεται.
Το ίδιο σύνολο δεδομένων εντόπισε το κανάλι πρωτονίων 0 στα 157,5 barn, το κανάλι πρωτονίων 1 στα 40,4 barn και το κανάλι πρωτονίων 2 στα 16,8 barn. Αυτά τα αποτελέσματα ταίριαζαν ή ξεπέρασαν τις θεωρητικές προβλέψεις από το φωτοπυρηνικό μοντέλο RELDIS κατά 25%.
Οι αποκλίσεις υποδηλώνουν ότι τα υπάρχοντα μοντέλα δεν καταγράφουν επαρκώς την εκπομπή πριν από την ισορροπία και τη συγχώνευση νουκλεονίων σε κανάλια μεμονωμένων πρωτονίων.
Παρακολούθηση αλχημείας με την ταχύτητα του φωτός
Η συνεργασία ALICE βασίζεται σε θερμιδομετρητές μηδενικών βαθμών τοποθετημένους 369 πόδια κατάντη του σημείου αλληλεπίδρασης για την καταγραφή ουδέτερων και φορτισμένων θραυσμάτων.
Η ομάδα του KU παρακολούθησε γεγονότα όπου η ενέργεια πρωτονίων έπεφτε εντός δύο τυπικών αποκλίσεων από την ενέργεια της δέσμης και τουλάχιστον ένα νετρόνιο χτύπησε το γειτονικό θερμιδομετρητή νετρονίων. Αυτό απομόνωσε ένα σύνολο δεδομένων μόλις δύο εκατομμυρίων γεγονότων από 2,05 εκατομμύρια εναύσματα.
Διόρθωσαν ως προς την αποδοχή, την αποτελεσματικότητα και τη μικρή πιθανότητα μια περιφερειακή αδρονική σύγκρουση να μιμηθεί ένα ηλεκτρομαγνητικό συμβάν.
Μελέτες Monte Carlo που χρησιμοποιούν το RELDIS και τον κώδικα μεταφοράς AAMCC-MST έδειξαν ότι οι αδρονικοί απατεώνες συνεισφέρουν λιγότερο από ένα τοις εκατό στο δείγμα ενός μόνο πρωτονίου, αφήνοντας το σήμα που καθοδηγείται από φωτόνια ουσιαστικά καθαρό.
Η προκύπτουσα προσαρμογή αποκάλυψε ευρείες κορυφές 1 πρωτονίου και ευρείες κορυφές 2 πρωτονίων, περίπου διπλάσιες από τις αντίστοιχες κορυφές νετρονίων. Αυτό συμβαίνει επειδή τα σχετικιστικά πρωτόνια μπορούν να διαρρεύσουν ενέργεια στις άκρες του θερμιδομέτρου ή μέσω αλληλεπιδράσεων με το υλικό της γραμμής δέσμης.
Ένα τροποποιημένο Γκαουσιανό μοντέλο με κλιμάκωση πλάτους με βάση τον αριθμό πρωτονίων που διόρθωσε το σμίλευμα - υιοθετείται τώρα από άλλες ομάδες βαρέων ιόντων.
Η λάμψη έχει σημασία για μελλοντικούς συγκρουόμενους κρουστήρες
Η αφαίρεση τριών πρωτονίων μετατρέπει τον μόλυβδο σε χρυσό, αλλά η αφαίρεση έστω και ενός πρωτονίου μετατρέπει το ιόν σε θάλλιο, το οποίο κάμπτεται διαφορετικά στους μαγνήτες του LHC.
Οι δέσμες δευτερογενών σωματιδίων που δεν ελέγχονται σωστά μπορούν να χτυπήσουν ψυχρά εξαρτήματα, να απενεργοποιήσουν υπεραγώγιμους μαγνήτες ή να ενεργοποιήσουν συστήματα ασφαλείας. Αυτά τα ζητήματα θα μπορούσαν να περιορίσουν την απόδοση των μελλοντικών αναβαθμίσεων των 27 TeV και του προτεινόμενου μελλοντικού κυκλικού επιταχυντή 100 χλμ.
Μετρώντας ολόκληρη τη σειρά καναλιών πρωτονίων από 0 έως 3, η ομάδα ALICE παρέχει απαραίτητα δεδομένα για τους χάρτες απωλειών που χρησιμοποιούν οι μηχανικοί για το σχεδιασμό κατευθυντήρων και θωράκισης.
Τα δεδομένα τροφοδοτούν επίσης προσομοιώσεις για τον Αμερικανικό Επιταχυντή Ιόντων Ηλεκτρονίων (EIC), όπου η κατανόηση της διάσπασης των πυρήνων που προκαλείται από φωτόνια είναι κρίσιμη για την απόρριψη υποβάθρου σε μετρήσεις ακριβείας.
Περισσότερο από απλός χρυσός
Πέρα από τον χρυσό, οι συγκρούσεις σχεδόν ατυχημάτων μπορούν να παράγουν ισότοπα υδραργύρου, θαλλίου ή πλατίνας - το καθένα με μοναδικές οδούς διάσπασης και πληροφορίες.
Η σκέδαση φωτός-φως, οι αναζητήσεις σωματιδίων που μοιάζουν με αξιόνια και οι μελέτες πυρηνικής διέγερσης επωφελούνται από τη γνώση της ακριβούς συχνότητας και της καθαρότητας εμφάνισης αυτών των καναλιών.
Ο Tapia Takaki σημείωσε ότι η μελέτη μπορεί να είναι κρίσιμη για τον σχεδιασμό της επόμενης γενιάς μηχανών, επειδή κάθε χαμένη δέσμη ιόντων κοστίζει ημέρες επιταχυντή και σημαντικά λειτουργικά χρήματα.
Με λίγα λόγια, η απόκτηση μιας στιγμής χρυσού δεν έχει να κάνει τόσο με το να γίνεις πλούσιος όσο με το να διατηρείς εγκαταστάσεις δισεκατομμυρίων δολαρίων σε ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία.
Τα επόμενα βήματα για τη φυσική του χρυσού
Η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει την ανάλυση σε τέσσερις και πέντε εκπομπές πρωτονίων μόλις φτάσουν τα δεδομένα της 3ης εκτέλεσης, αυξάνοντας την ευαισθησία προς τους πυρήνες γύρω από το άφνιο και το ταντάλιο.
Συνεργάζονται με θεωρητικούς για να βελτιώσουν τα φωτοπυρηνικά μοντέλα, ώστε οι αναλογίες νετρονίων προς πρωτόνια να ταιριάζουν καλύτερα με τις παρατηρήσεις.
Ένα ειδικό εναύσμα για υπερπεριφερειακές συγκρούσεις βρίσκεται υπό ανάπτυξη. Συνδυάζει την υπάρχουσα λογική του θερμιδομέτρου με φίλτρα μηχανικής μάθησης σε πραγματικό χρόνο για την καταγραφή σπάνιων συμβάντων χωρίς να υπερφορτώνει το σύστημα συλλογής δεδομένων.
Εάν το πετύχουν, οι φυσικοί θα μπορούσαν να παρακολουθήσουν τη σύγχρονη αλχημεία να εξελίσσεται σχεδόν όπως συμβαίνει, ίσως ακόμη και να εντοπίσουν μακρόβια ισομερή πριν αυτά αποσυντεθούν εν πτήσει.
Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review C.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα earth.com
περισσότερα,
https://www.earth.com/news/lead-was-turned-into-gold-cern-collider-high-energy-physics/#google_vignette