Czy złoto jest zagrożone? Europejscy naukowcy stworzyli kruszec z ołowiu
Głęboko pod francusko-szwajcarską granicą, w 27-kilometrowym tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), spełniło się marzenie średniowiecznych alchemików. W eksperymencie o kryptonimie ALICE (ang. A Large Ion Collider Experiment) naukowcy po raz pierwszy precyzyjnie zmierzyli proces, w ramach którego jądra atomów ołowiu utraciły dokładnie po trzy protony i na ułamek sekundy stały się złotem. To osiągnięcie jest jednak bardziej triumfem fizyki jądrowej niż potencjalnym hitem jubilerskim – całkowita masa wyprodukowanego „kruszcu” to zaledwie 29 pikogramów, czyli dziesiątki bilionowych części grama.
Złoto z „prawie” zderzenia
W LHC wiązki jonów ołowiu rozpędzane są do 99,999993 % prędkości światła. Gdy dwa takie jądra mijają się o włos, powstaje ultrakrótkie, lecz potężne pole elektromagnetyczne. Pole to może wzbudzić drgania ładunku w jądrze i wyrwać z niego niewielką liczbę nukleonów. Jeśli „wypadną” dokładnie trzy protony, atom ołowiu (82 protony) zamienia się w atom złota (79 protonów).
Mechanizm ten – zwany dysocjacją elektromagnetyczną – zachodzi znacznie częściej niż spektakularne, czołowe zderzenia, które tworzą plazmę kwarkowo-gluonową. Dlatego z punktu widzenia inżynierów wiązki jest raczej kłopotem: nowo powstałe jądra wypadają z idealnej orbity i uderzają w elementy akceleratora, powodując dodatkowe straty wiązki.
Jak policzyć nieuchwytne cząsteczki
ALICE nie „widzi” samych złotych cząsteczek, bo te rozbijają się po drodze w mgnieniu oka. Eksperyment korzysta z tzw. kalorymetrów zero-stopniowych (ZDC), które wyłapują strumień cząstek wyrzuconych z transformujących się jąder i „liczą” brakujące protony. Dzięki temu zespół mógł oszacować, że w czasie drugiego cyklu pracy LHC (2015–2018) powstało około 86 miliardów cząsteczek złota. Przy obecnych parametrach zderzacza tempo produkcji dochodzi do 89 000 sztuk na sekundę – imponująco brzmi w statystykach, ale wciąż oznacza bardzo znikome ilości materii.
Od średniowiecznej iluzji do współczesnej nauki
Pierwsze próby transmutacji metali datują się na czasy, gdy chemia i religijna mistyka splatały się w jedno, a dokładna struktura materii była przedmiotem spekulacji uczonych. Dziś wiemy, że zmiana pierwiastka wymaga ingerencji w samą strukturę jądra, co jest domeną fizyki wysokich energii, a nie retorty i tygla. Publikacja wyników w Physical Review C (7 maja 2025 r.) zamyka symbolicznie historyczny krąg poszukiwań kamienia filozoficznego, ale otwiera kolejne drzwi dla współczesnej nauki.
– „Nasze detektory muszą radzić sobie zarówno z burzą tysięcy cząstek w zderzeniach czołowych, jak i z wydarzeniami, w których powstaje ich zaledwie kilka. To pozwala nam badać procesy elektromagnetycznej transmutacji” – podkreśla Marco Van Leeuwen, rzecznik ALICE.
Uliana Dmitrieva, współautorka analizy, dodaje: – „To pierwsze systematyczne i bezpośrednie wykrycie podpisu produkcji złota w LHC. Dane pomagają udoskonalać modele dysocjacji elektromagnetycznej i prognozować utraty wiązki, co jest kluczowe dla przyszłych, jeszcze potężniejszych akceleratorów”.
Po co komu złoto, którego nie da się wyjąć?
Koszt rocznej pracy LHC liczony jest w setkach milionów euro, a energia potrzebna na wytworzenie pikogramu złota przekracza jego rynkową wartość o wiele rzędów wielkości. Z punktu widzenia gospodarki eksperyment jest więc „najdroższą mennicą świata”. Ale dla fizyków skarbem są dane: obserwacja subtelnych interakcji elektromagnetycznych umożliwia precyzyjne strojenie wiązki, poprawę stabilności akceleratora i projektowanie przyszłych maszyn, takich jak planowany Wielki Zderzacz Hadronów o super-wysokiej świetlności.