Мечта алхимиков сбылась? Золото из свинца получили на БАК (и вот почему это не сделает вас богаче)

Мечта о превращении свинца в золото — о, сколько копий сломано, сколько тайных манускриптов исписано! Алхимики веками бились над загадкой философского камня, стремясь не только к богатству, но и к познанию тайных сил природы. И вот, представьте себе, в наши дни, в недрах одного из самых сложных научных инструментов человечества, Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе, эта мечта… ну, скажем так, получила очень своеобразное воплощение. Коллаборация ALICE (A Large Ion Collider Experiment) недавно сообщила о том, что им удалось зафиксировать превращение свинца в золото. Но не спешите бежать за киркой и лотком! Тут всё гораздо хитрее.

Когда «мимо» — это прямо в яблочко!

Так что же произошло? Неужели физики нашли тот самый философский камень? Почти, только он оказался не камнем, а… невероятно мощным электромагнитным полем. Давайте разбираться.

Средневековые алхимики, конечно, были не в курсе строения атома. Они полагали, что свинец и золото — это как бы разные «состояния» одного и того же вещества, и нужно лишь найти правильный «рецепт» для перехода. Позже наука показала: свинец и золото — это совершенно разные химические элементы, определяемые количеством протонов в их ядрах (у свинца 82, у золота 79). И никакими химическими реакциями один в другой не превратишь.

Но вот пришла ядерная физика, и стало ясно: ядра атомов можно изменять! Можно «выбить» из ядра протоны или нейтроны, или добавить их. Золото искусственно уже получали и раньше, например, бомбардируя ртуть нейтронами. Но то, что сделали на ALICE, — это совсем другая песня.

Там, на БАКе, разгоняют ядра свинца до скоростей, близких к скорости света. Чаще всего физиков интересуют лобовые столкновения этих ядер — именно так рождается экзотическая кварк-глюонная плазма, материя ранней Вселенной. Но, оказывается, даже когда ядра свинца пролетают мимо друг друга, едва не касаясь (ученые называют это ультрапериферическими столкновениями), происходит нечто поразительное.

Электромагнитный «кулак» и хрупкость ядер

Представьте себе ядро свинца, несущееся со скоростью 99,999993% от скорости света. В нём 82 протона, а значит, оно обладает мощнейшим электромагнитным полем. Из-за релятивистских эффектов (тех самых, что предсказал Эйнштейн) это поле сжимается в тончайший «блин», перпендикулярный движению ядра. Когда два таких «блина» от пролетающих мимо ядер пересекаются, возникает короткий, но невероятно мощный импульс фотонов — частиц света.

И вот эти-то фотоны и творят «алхимию»! Они взаимодействуют с ядром свинца, возбуждая его. Это называется электромагнитной диссоциацией. Представьте, что ядро — это такой музыкальный инструмент, и фотон-«смычок» заставляет его так сильно «звучать», что из него вылетают отдельные «ноты» — протоны и нейтроны. Чтобы из свинца (82 протона) получилось золото (79 протонов), нужно, чтобы ядро свинца потеряло три протона. Именно это и зафиксировали детекторы ALICE.

«Поразительно, — делится Марко Ван Леувен, представитель ALICE, — наши детекторы умеют отслеживать и лобовые столкновения с тысячами рождающихся частиц, и вот такие редкие события, где частиц совсем немного. Это открывает путь к изучению очень редких процессов «ядерной трансмутации»».

Сколько вешать в пикограммах?

Команда ALICE использовала специальные детекторы — калориметры нулевого угла (ZDC) — чтобы посчитать, сколько же «золотых» ядер получилось. Они отслеживали, сколько протонов (ноль, один, два или три) вылетало из ядра свинца в сопровождении хотя бы одного нейтрона. Так они идентифицировали образование не только золота, но и свинца (если протоны остались на месте), таллия (минус один протон) и ртути (минус два протона).

И что же с цифрами? Оказывается, БАК «производит» золото в точке столкновения ALICE со скоростью примерно 89 000 ядер в секунду. Звучит внушительно, не правда ли? Но давайте переведем это в более привычные единицы. За весь второй сеанс работы БАКа (2015-2018 годы) в четырех основных экспериментах было получено около 86 миллиардов ядер золота. А это, внимание, всего лишь 29 пикограммов! Чтобы вы понимали, пикограмм — это одна триллионная доля грамма (10⁻¹² г).

Да, в третьем сеансе работы БАК, благодаря модернизациям, золота получили почти вдвое больше. Но это все равно в триллионы раз меньше, чем нужно для самого крошечного колечка. К тому же, это «коллайдерное» золото существует лишь ничтожные доли секунды — оно рождается с огромной энергией, тут же врезается в стенки вакуумной трубы или специальные поглотители (коллиматоры) и распадается на отдельные частицы. Так что мечты о золотых горах из ускорителя, увы, остаются мечтами.

Так зачем же всё это? Неужели только ради красивой истории?

Если не ради обогащения, то для чего физики так тщательно изучают этот процесс? Оказывается, это «золото» имеет огромную научную ценность, и вот почему:

1. Первое систематическое наблюдение: Как подчеркивает Ульяна Дмитриева из коллаборации ALICE, это первый раз, когда ученые смогли систематически зафиксировать и проанализировать сам факт образования золота таким способом на БАК. Раньше это были скорее теоретические предсказания.
2. Проверка теорий: Результаты помогают проверить и уточнить теоретические модели электромагнитной диссоциации. Это важно для фундаментального понимания того, как устроены и как взаимодействуют ядра атомов.
3. Практическая польза для коллайдеров: А вот это уже совсем прикладной аспект. Понимание процессов электромагнитной диссоциации, по словам Джона Джоуэтта, также из ALICE, критически важно для понимания и прогнозирования потерь пучка в ускорителях. А потери пучка — это одна из главных проблем, ограничивающих производительность и БАК, и будущих, еще более мощных коллайдеров. Чем лучше мы понимаем, как и почему частицы «теряются» из пучка, тем эффективнее сможем строить и настраивать эти сложнейшие машины.

Алхимики были бы в восторге (но немного разочарованы)

Так что же в сухом остатке? Мечта средневековых алхимиков о превращении свинца в золото технически сбылась. Да, можно. Да, получается. Но способ оказался совершенно не таким, как они представляли, а результат — экономически абсолютно бессмысленным для производства драгоценного металла.

Но разве это умаляет красоту научного поиска? Ничуть! Это прекрасный пример того, как фундаментальная наука, стремясь разгадать тайны Вселенной (в данном случае, свойства кварк-глюонной плазмы), попутно совершает открытия, которые, с одной стороны, перекликаются с вековыми чаяниями человечества, а с другой — дают нам новые инструменты для понимания и освоения мира.

И кто знает, какие еще «побочные» открытия ждут нас на пути к главным целям Большого адронного коллайдера? Одно ясно: скучно точно не будет! А золото… золото пусть пока добывают старыми, проверенными способами. Физикам оно интересно совсем в другом качестве.