科学家见证在大型强子对撞机中铅真的变成了金

在中世纪的一段时间里，确实存在一股将普通铅转变为纯净闪亮黄金的热潮。
或许那些古代炼金术士本应建造一台粒子对撞机。根据一篇新论文，欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在2015年至2018年的第二次运行期间，从高速铅核中产生了约860亿个金核。
这实际上并不是很多黄金，仅为万亿分之一克。而且其存在时间也非常短暂，只有几分之一秒。但真正令人惊叹的是物理学家量化黄金产生的方式：通过使用大型离子对撞机实验（ALICE）探测器的零度量热计（ZDCs），对铅相互作用中涉及的伴随中子的质子数进行计数。
欧洲核子研究组织ALICE合作团队的物理学家乌利安娜·德米特里耶娃解释说：“由于ALICE ZDCs的独特能力，目前的分析首次在实验上系统地检测和分析了大型强子对撞机上黄金产生的特征。”
在元素周期表上，铅和金仅相隔几个位置。金有79个质子，铅有82个，所以从本质上讲，可以从铅原子上敲掉几个质子（加上一些中子）从而得到一个金原子。
这个过程类似于古代炼金术士尝试的“点石成金”，但实际上，并没有那么简单。需要一台粒子对撞机，能将粒子加速到足够高的能量来实现这种撞击。
简而言之，这极其耗能，并且需要非常昂贵、高度专业化的设备。如果想要黄金，从努力程度、成本和资源方面来看，这可能是最不高效的获取方式。
但铅是粒子对撞机实验的常用选择，这会产生黄金作为非常短暂存在的副产品。
ALICE合作团队现在量化的黄金产生，并非来自铅核的相互碰撞，而是来自它们在大型强子对撞机中以99.999993%光速飞行时的近乎擦身而过。
在这样的速度下，拥有82个带电质子的铅核，会使对撞机中垂直于其运动方向的电磁场变平，当两个铅核足够接近时会产生一个光子脉冲。
与光子的相互作用随后会动摇铅核的内部结构，导致其喷射出中子和质子。
这个过程产生的不只是黄金。核子的移除可以产生一个有123个中子和81个质子的铊核；或者一个有121个中子和80个质子的汞核。
通过使用ALICE的ZDCs来计数带有一个、两个或三个质子的游离中子，该合作团队量化了大型强子对撞机同一运行期间这三种元素的产生情况。
铊和汞的产生量远远大于黄金，但目前黄金的最大产生速率约为每秒89000个核，来自对撞机中ALICE碰撞点附近的铅 – 铅碰撞。
对于粒子加速器的第二次运行，产生的黄金量微乎其微，仅为29皮克，也就是万亿分之一克。这是测量细菌的尺度。一克黄金中就有无数个原子。
此外，高速运动的金核几乎在形成后就会撞击大型强子对撞机的内壁，并在质子、中子和电子的散射中解体。中世纪的炼金术士肯定会深感失望。
但我们不会。这是非常引人入胜的科学。科学家不仅能以近乎光速将原子相互撞击，还能确定这些原子因撞击而发生的变化。这远远超出了我们中世纪先辈最狂野的想象。
乌得勒支大学的粒子物理学家、ALICE合作团队发言人马尔科·范·利文表示：“看到我们的探测器能够处理产生数千个粒子的正面碰撞，同时又对每次仅产生少量粒子的碰撞敏感，从而能够研究罕见的电磁‘核嬗变’过程，这令人印象深刻。”
这些研究结果已发表在《物理评论C》上。