Тайна алхимиков раскрыта: золото из свинца возможно, если у вас есть коллайдер и немного квантовой магии

В Большом адронном коллайдере (LHC) удалось превратить свинец в золото — именно об этом с научной точностью сообщает коллаборация ALICE в новой статье, опубликованной в журнале Physical Review C. Звучит как фантастика из средневековых алхимических трактатов, но сегодня это уже проверяемый физический процесс, хотя и не способ разбогатеть.

Идея превращения дешёвого свинца в драгоценное золото веками волновала умы. Алхимики верили, что элементы отличаются лишь «качествами» и могут быть преобразованы друг в друга. Современная наука опровергла эти надежды на уровне химии, но с развитием ядерной физики выяснилось, что атомные ядра действительно могут менять свою структуру. Правда, для этого нужны совсем не колбы, а ускорители частиц.

Свинец и золото — тяжёлые элементы, и при столкновении их ядер можно спровоцировать нестабильные состояния, которые приводят к выбросу отдельных частиц. Так, в ALICE изучались так называемые ультра-периферические столкновения, когда два иона свинца пролетают мимо друг друга на экстремальной скорости (почти скорость света), не сталкиваясь напрямую. Но даже в этом «касании на расстоянии» их мощные электромагнитные поля порождают фотоны, которые могут взаимодействовать с ядрами.

Если такой фотон попадёт в ядро свинца, он может вызвать возбуждение его структуры и привести к выбросу нейтронов и протонов. У свинца 82 протона, а у золота — 79. Выброс трёх протонов делает эту трансмутацию физически возможной. Именно такие случаи и были зафиксированы детекторами ALICE.

С помощью специального детектора ZDC исследователи подсчитали количество взаимодействий, в которых ядро теряет от одного до трёх протонов. Каждый такой процесс соответствует превращению свинца в другой элемент: таллий, ртуть или золото. Производство золота происходит реже всего, но в ходе второго этапа работы коллайдера (2015–2018 годы) было зафиксировано более 86 миллиардов таких ядер. В пересчёте на массу это около 29 пикограмм — в буквальном смысле пылинка на весах.

Даже несмотря на удвоение числа таких превращений в текущем этапе работы коллайдера, объёмы остаются микроскопическими. Эти золотоносные ядра живут всего долю секунды и тут же разрушаются при столкновении со стенками ускорителя, превращаясь в поток субатомных частиц.

Тем не менее, само по себе достижение впечатляет. Это не только экспериментальное подтверждение возможности трансмутации тяжёлых элементов с помощью электромагнитных процессов, но и полезный вклад в понимание механизмов потерь пучка, которые мешают работе ускорителей. Для будущих коллайдеров такие знания станут критически важными.

Так что, если алхимия и нашла воплощение в современной науке, то исключительно в духе познания, а не обогащения. Сказка сбылась — но в стиле физиков.