煉金術(shù)的現(xiàn)代回響

自古以來(lái)，黃金就因其迷人的色澤和稀有性而備受珍視。在中世紀(jì)，煉金術(shù)師更是夢(mèng)想著將普通金屬鉛（Pb）轉(zhuǎn)化為貴重金屬金（Au）。這個(gè)追求可能源于人們發(fā)現(xiàn)鉛和黃金密度接近。

然而，直到近現(xiàn)代科學(xué)家才認(rèn)識(shí)到：鉛和金是兩種完全不同的化學(xué)元素，無(wú)法通過(guò)化學(xué)方法互相轉(zhuǎn)化。

20世紀(jì)，核物理學(xué)的發(fā)展揭示了某些重元素可以通過(guò)放射性衰變自然轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兀蛟趯?shí)驗(yàn)室中經(jīng)由中子或質(zhì)子的轟擊實(shí)現(xiàn)人工嬗變（transmutation）。事實(shí)上，已經(jīng)有研究在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)這種方式成功制造出了微量的黃金。

如今，這種不再神秘的轉(zhuǎn)變也發(fā)生在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中。在一項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論C》的研究中，CERN的大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（ALICE）合作組報(bào)告了通過(guò)一種全新的機(jī)制——鉛核之間的“近距離擦身而過(guò)”——實(shí)現(xiàn)并量化了鉛向金的轉(zhuǎn)變。

歐洲核子研究中心（CERN）的大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（ALICE）。（圖/CERN）

擦身而過(guò)的奇跡

在LHC中，鉛核之間的高能碰撞可以產(chǎn)生一種名為夸克-膠子等離子體（QGP）的特殊物質(zhì)狀態(tài)，這種物態(tài)被認(rèn)為曾在大爆炸后的微秒之內(nèi)充滿了宇宙，是現(xiàn)代物質(zhì)的“前身”。然而，在更多情況下，兩個(gè)鉛核并不會(huì)發(fā)生正面碰撞，而是以極小的間距擦身而過(guò)。

在這種“近距離擦身而過(guò)”相互作用中，鉛核周圍的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)誘發(fā)光子-光子和光子-核相互作用。鉛核擁有82個(gè)質(zhì)子，每個(gè)質(zhì)子攜帶一個(gè)基本電荷，因此其電磁場(chǎng)非常強(qiáng)大。當(dāng)鉛核以接近光速（約為光速的99.999993%）在LHC中運(yùn)行時(shí)，其電磁場(chǎng)線會(huì)被擠壓成“薄煎餅”狀，橫向傳播，形成極短暫的光子脈沖。

通常，這些脈沖可觸發(fā)一個(gè)名為“電磁離解”的過(guò)程，即光子與原子核相互作用，激發(fā)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生振蕩，使其發(fā)射出少量中子和質(zhì)子。若要將鉛（82個(gè)質(zhì)子）轉(zhuǎn)化為金（79個(gè)質(zhì)子），就需要從鉛核中移除3個(gè)質(zhì)子。

LHC中兩個(gè)鉛（2??Pb）離子束相互靠近但未發(fā)生碰撞。在電磁離解過(guò)程中，與原子核相互作用的光子可以激發(fā)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振蕩，并導(dǎo)致少量中子（2個(gè)）和質(zhì)子（3個(gè)）的

發(fā)射，從而將鉛轉(zhuǎn)變?yōu)榻穑??3Au）。（圖 / CERN）

ALICE實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特之處在于，其探測(cè)器不僅能處理一次產(chǎn)生數(shù)千粒子的劇烈碰撞，也能精確捕捉僅產(chǎn)生少量粒子的罕見(jiàn)事件。這一能力使研究人員能從大量的碰撞碎片中篩選出“核嬗變”的實(shí)例。

研究團(tuán)隊(duì)利用零度量熱計(jì)來(lái)統(tǒng)計(jì)光子-核相互作用引發(fā)的質(zhì)子發(fā)射事件。根據(jù)發(fā)射出的質(zhì)子數(shù)量（0、1、2、3）和伴隨的中子，可以分別判斷鉛、鉈、汞和金元素的生成。盡管金的生成概率低于鉈和汞，但數(shù)據(jù)顯示，在ALICE探測(cè)點(diǎn)，鉛-鉛碰撞每秒可產(chǎn)生高達(dá)89,000個(gè)金原子核。

這些金核以極高能量離開(kāi)碰撞點(diǎn)，隨后在下游撞擊LHC的束流管或準(zhǔn)直器，并在那里迅速分裂為單個(gè)質(zhì)子、中子及其他粒子。這些金原子核的存在時(shí)間不足一秒。

根據(jù)ALICE合作組的測(cè)算，在LHC第二輪運(yùn)行期間（2015–2018年），四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)共產(chǎn)生了約860億個(gè)金原子核，質(zhì)量約為29皮克（2.9 × 10?11 克）。而在第三輪實(shí)驗(yàn)中，隨著加速器亮度提升，金的產(chǎn)生量接近第二輪的兩倍。但即便如此，與制造一件金飾所需的黃金量相比，依然微不足道。

換言之，雖然煉金術(shù)士的夢(mèng)想在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn)，但他們的致富幻想再一次破滅了。

從煉金術(shù)到束流控制

每當(dāng)鉛束在LHC中碰撞時(shí)，金都會(huì)短暫地產(chǎn)生。但ALICE是唯一一個(gè)能夠用探測(cè)器觀測(cè)這一過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。研究人員表示，正是因?yàn)锳LICE的零度量熱計(jì)具有獨(dú)特能力，我們才能夠首次系統(tǒng)地探測(cè)并分析LHC中產(chǎn)生金的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

這一發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了電磁離解的理論模型，也推動(dòng)了對(duì)LHC和未來(lái)對(duì)撞機(jī)中“束流損耗”機(jī)制的理解，而束流損耗正是限制加速器性能的關(guān)鍵因素之一。

#參考來(lái)源：

https://home.cern/news/news/physics/alice-detects-conversion-lead-gold-lhc

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01484-3

https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.111.054906

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Hans / Pixabay