Moderna alhemija u CERN-u: Kako sudari čestica nehotice pretvaraju olovo u zlato
- Fizičari na eksperimentu ALICE u okviru Velikog hadronskog sudarača (LHC) slučajno su stvorili mikroskopske količine zlata simulirajući uslove neposredno nakon Velikog praska.
- Proces transformacije zahteva uklanjanje tačno tri protona iz jezgra olova putem elektromagnetnog polja milion puta jačeg od atmosferske munje.
- Iako se stvara oko 89.000 atoma zlata u sekundi, ukupna proizvedena masa iznosi svega 29 bilionitih delova grama.
- Za naučnike CERN-a, novonastalo zlato predstavlja tehničku smetnju jer destabilizuje snop čestica i skraćuje vek trajanja eksperimenta.
Ostvarenje srednjovekovnog sna na subatomskom nivou
Vekovima su srednjovekovni alhemičari bezuspešno pokušavali da obične metale pretvore u plemenite. Moderna hemija je dokazala da su hemijskim reakcijama takve promene nemoguće jer se elementi razlikuju po svojoj atomskoj strukturi. Međutim, nuklearna fizika 21. veka pokazala je da je granica znatno fleksibilnija kada se raspolaže energijama koje oponašaju prve trenutke nastanka univerzuma.
Razlika između olova i zlata svodi se na samo tri subatomske čestice: jezgro olova sadrži 82 protona, dok zlato ima 79 protona. Tokom eksperimenata na Velikom hadronskom sudaraču (LHC) u Švajcarskoj, tim istraživača na detektoru ALICE uočio je da manipulacija teškim jonima pri brzinama bliskim brzini svetlosti dovodi do spontanog kidanja protona iz olova, čime nastaje čisto zlato.
Fizika bliskog promašaja: Kako se cepa atomsko jezgro
Uloga ekstremnih elektromagnetnih polja
Protoni u atomskom jezgru vezani su izuzetno jakom nuklearnom silom. Da bi se tri protona izvukla iz jezgra olova bez potpunog uništenja atoma, potrebno je primeniti električno polje koje je oko milion puta snažnije od onog koje generiše atmosferska munja. Fizičari to postižu usmeravanjem snopova jezgara olova koja se kreću jedno prema drugom brzinom od gotovo 300.000 kilometara u sekundi.
Kada dođe do direktnog čeonog sudara, nuklearna sila u potpunosti razara jezgra. Međutim, ključni proces se odigrava prilikom takozvanih bliskih promašaja. Kada dva jezgra prođu na minimalnoj udaljenosti jedno pored drugog, intenzivno elektromagnetno polje izaziva snažne vibracije. U tom procesu, jezgro olova povremeno izbaci tačno tri protona, momentalno prelazeći u stabilnu konfiguraciju zlata.
Detekcija i nusproizvodi nuklearne transmutacije
Pošto instrumenti ne mogu direktno da snime novonastala jezgra zlata, istraživači na projektu ALICE koriste specijalizovane kalorimetre nultog stepena (zero-degree calorimeters). Ovi detektori mere broj izbačenih protona, omogućavajući preciznu indirektnu rekonstrukciju novonastalih elemenata.
Podaci pokazuju da se u sudaraču ne stvara samo zlato. Gubitkom jednog protona olovo prelazi u talijum, dok gubitak dva protona stvara živu. Prema proračunima, postrojenje u punom pogonu generiše oko 89.000 jezgara zlata u sekundi, ali je ukupna akumulirana masa na kraju eksperimenta iznosila zanemarljivih 29 bilionitih delova grama.
Tehnički izazovi za buduće akceleratore
Iako pretvaranje olova u zlato zvuči kao spektakularan trijumf, za inženjere i fizičare u CERN-u ova pojava predstavlja operativni problem. Čim jezgro olova izgubi protone, menja se njegov električni naboj, što znači da više ne može da zadrži stabilnu putanju unutar vakuumske cevi akceleratora.
U roku od nekoliko mikrosekundi, novonastala jezgra zlata skreću sa orbite i udaraju u unutrašnje zidove sudarača. Ovaj proces postepeno smanjuje gustinu i intenzitet snopa čestica, čime se degradira efikasnost eksperimenta. Razumevanje dinamike ove slučajne alhemije ključno je za projektovanje naredne generacije sudarača čestica gde će se raditi sa još većim energijama i znatno gušćim snopovima materije.
