在中世紀的歐洲，煉金術(shù)士們曾經(jīng)癡迷于將普通的鉛變成閃閃發(fā)光的黃金。他們試圖通過各種神秘的方法來實現(xiàn)這一夢想，但最終都以失敗告終。然而，現(xiàn)代科學卻在不經(jīng)意間實現(xiàn)了他們的夢想——雖然方式完全不同。

據(jù)最新研究，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）在2015年至2018年的第二次運行期間，成功地將大約860億個鉛原子核變成了金原子核。不過，這并不是我們想象中的那種“大量”黃金——實際上，這些黃金的總重量僅為萬億分之一克，而且存在的時間極短，只有幾億分之一秒。然而，這一發(fā)現(xiàn)的科學意義卻是巨大的。

科學家們是如何做到這一點的呢？他們利用了大型強子對撞機中的ALICE（大型離子對撞機實驗）探測器的零度量熱器（ZDCs）。這些探測器能夠精確地計算出在鉛原子核相互作用過程中伴隨中子的質(zhì)子數(shù)量。正如ALICE合作組的物理學家烏里亞娜·德米特里耶娃所說：“得益于ALICE零度量熱器的獨特能力，我們首次系統(tǒng)地在大型強子對撞機實驗中檢測并分析了黃金產(chǎn)生的特征。”

在元素周期表中，鉛和金的位置非常接近。金有79個質(zhì)子，而鉛有82個質(zhì)子。理論上，只要從鉛原子中敲掉幾個質(zhì)子（以及一些中子），就可以得到金原子。這個過程聽起來似乎與中世紀煉金術(shù)士試圖實現(xiàn)的“點石成金”類似，但實際操作起來卻復(fù)雜得多。你需要一個能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀俚阶銐蚋吣芰康牧Ｗ訉ψ矙C，才能實現(xiàn)這種“敲打”。

這個過程不僅需要極高的能量，還需要極其昂貴且高度專業(yè)的設(shè)備。如果想要得到黃金，這無疑是效率最低的方式，無論從努力、成本還是資源的角度來看。然而，鉛是粒子對撞機實驗中常用的材料，因此在實驗過程中，黃金作為副產(chǎn)品被短暫地產(chǎn)生出來。

ALICE合作組通過研究大型強子對撞機中鉛原子核的“擦肩而過”，而不是它們之間的直接碰撞，量化了黃金的產(chǎn)生。在這個過程中，以99.999993%光速飛行的鉛原子核，其82個帶電質(zhì)子會在對撞機中產(chǎn)生一個與運動方向垂直的電磁場。當兩個鉛原子核足夠接近時，會產(chǎn)生光子脈沖。光子與鉛原子核相互作用，會擾動其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致中子和質(zhì)子被彈出。

這個過程不僅會產(chǎn)生黃金，還會產(chǎn)生其他元素。例如，移除核子后可能會產(chǎn)生一個含有123個中子和81個質(zhì)子的鉈原子核，或者一個含有121個中子和80個質(zhì)子的汞原子核。ALICE合作組利用零度量熱器來計算出單個、兩個或三個質(zhì)子的自由中子，從而量化了在大型強子對撞機運行期間這三種元素的產(chǎn)生。

盡管黃金的產(chǎn)生量非常小，但這一發(fā)現(xiàn)仍然具有重要的科學意義。科學家們不僅能夠?qū)⒃右越咏馑俚乃俣认嗷プ矒簦€能精確地分析這些原子在撞擊過程中發(fā)生的變化。這遠遠超出了中世紀先輩們最瘋狂的想象。

“令人印象深刻的是，我們的探測器能夠處理產(chǎn)生數(shù)千個粒子的正面碰撞，同時也能對只產(chǎn)生少量粒子的碰撞保持敏感，這使得我們能夠研究罕見的電磁‘核嬗變’過程。”烏特勒支大學的粒子物理學家、ALICE合作組發(fā)言人馬爾科·范·李文說。

這一研究成果已經(jīng)發(fā)表在《物理評論C》上。

你對大型強子對撞機的這一發(fā)現(xiàn)有什么看法？

你認為現(xiàn)代科學是否有可能實現(xiàn)更高效地將鉛變成金？

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