Свинець перетворюється на золото у Великому адронному колайдері: «алхімія» без дотику

Здійснилася давня мрія алхіміків – перетворення свинцю на золото – але в зовсім неочікуваний спосіб: у надпотужному прискорювачі частинок ядра свинцю трансформуються на золото, і все це відбувається без прямого зіткнення ядер. В експерименті ALICE на Великому адронному колайдері (ВАК) фізики спостерігали своєрідний «дотик Мідаса без дотику»: у моменти, коли два іони свинцю пролітають дуже близько один від одного, вони можуть перетворюватися на нові елементи – талій, ртуть або навіть золото[1]. Цей процес став можливим завдяки екстремальним електромагнітним полям, що виникають при зближенні важких іонів. Хоча створене золото існує лише крихту секунди і його мізерно мало (за роки роботи колайдера назбиралося б лише кілька пікограмів – трильйонні частки грама[2]), сам факт безконтактної ядерної трансмутації приголомшує науковців. Це відкриття не лише відлунює легенди про царя Мідаса, а й вказує шлях до кращого розуміння ядерних процесів, важливих для майбутніх прискорювачів частинок.

Безконтактні зіткнення важких іонів: коли ядра ледь не торкаються

Великий адронний колайдер проводить прискорення іонів свинцю (ядра атомів свинцю) до швидкостей, близьких до швидкості світла, і зіштовхує їх для дослідження властивостей матерії за екстремальних умов. Переважна більшість зіткнень іонів свинцю на ВАК – понад 98% – це так звані ультрапериферійні зіткнення, коли ядра пролітають дуже близько одне від одного, але не зіштовхуються напряму[1]. Незважаючи на відсутність прямого зіткнення, їх надзвичайно сильні електромагнітні поля викликають не менш дивовижні ефекти. Іони свинцю мають заряд +82 (усі 82 електрони видалено, залишилось лише ядро з 82 протонами), тож при зближенні двох таких ядер виникають найпотужніші у Всесвіті електричні та магнітні поля завдяки їхньому величезному позитивному заряду[1]. Спеціальна теорія відносності додає ефект: при релятивістських швидкостях силові лінії електромагнітного поля стискаються в тонкий «млинець» навколо кожного ядра, ще більше підсилюючи поле.

Художнє уявлення ультрапериферійного іонів свинцю в експерименті ALICE на ВАК: кольорові треки показують народження фотонів і нуклонів, що миттєво запускають трансмутацію свинцю на талій, ртуть чи золото.

Електромагнітні поля діють як посередники у взаємодії без дотику: породжені ними фотони можуть вибивати з ядра нуклони.

Коли два прискорених іони свинцю пролітають поруч, їхні електромагнітні поля фактично зіштовхуються і генерують потік фотонів[1]. Якщо такий віртуальний фотон від одного ядра поглинається іншим ядром, він може збудити це ядро і вибити з нього кілька нуклонів – нейтронів або навіть протонів[1]. Ядра при цьому не руйнуються повністю, але «відкушують» невеликий шматочок у вигляді одного-двох нуклонів. Така взаємодія називається електромагнітною дисоціацією. Втрата лише нейтронів змінює ізотоп ядра свинцю (кількість нейтронів), але не його хімічну природу[1]. Натомість якщо вибито протон – змінюється заряд ядра, тобто це вже інший елемент. Саме так і відбувається «алхімія» на колайдері:

 На схемі показано ультрапериферійне зіткнення двох ядер свинцю-208 без прямого контакту. Обмін фотоном збуджує одне ядро і вибиває з нього кілька нуклонів – тут схематично показано викид двох нейтронів (білі кульки) та трьох протонів (червоні кульки), в результаті чого залишається ядро золота-203[2]

Якщо ядро свинцю втратило один протон – воно перетворюється на талій, два протони – на ртуть, три протони – на золото[1]. Наприклад, найпоширеніший ізотоп свинцю має нуклонне число 208 (82 протони і 126 нейтронів). Вибивши з нього три протони і кілька нейтронів, отримуємо ядро золота з 79 протонами і ~124 нейтронами (один з ізотопів золота). Таким чином, фактично в прискорювачі здійснюється ядерна трансмутація свинцю в золото, хоч і в мікроскопічних масштабах. За словами фізика Джона Джоветта, що працює в команді ALICE, стискання електромагнітного поля релятивістських іонів робить його надзвичайно інтенсивним: «отримані магнітні та електричні поля – найпотужніші з відомих у Всесвіті, хоча і діють вони лише мізерну мить»[1]. Ці найсильніші поля й забезпечують безконтактне вибивання нуклонів з ядер.

Нові елементи з ядер: свинець перетворюється на золото талій, ртуть

Попри гучне слово «золото», мова йде не про самородки чи злитки, а про окремі атомні ядра золота, які народжуються й одразу ж розпадаються. Наскільки інтенсивно колайдер «кує» нові елементи? Виявляється, порівняно рідко. Найчастіше при ультрапериферійних зближеннях свинець втрачає лише нейтрони або один протон, перетворюючись на інший ізотоп свинцю чи на талій. Втратити одразу два чи три протони значно менш ймовірно[2]. За даними експерименту ALICE, золоті ядра утворюються найрідше, приблизно з частотою 8.9×10^4 штук за секунду в точці зіткнень ALICE[2]. Здається, що 89 тисяч атомів золота за секунду – це багато. Але якщо підрахувати загальну масу цього золота, виходить мізер: за всі роки Run 2 (2015–2018) на всіх експериментах LHC сумарно утворилося близько 86 мільярдів золотих ядер, що відповідає лише ~29 піграмам золота[2]. Це в трильйони разів менше, ніж потрібно бодай на одну обручку. Як жартують фізики, навіть якщо прискорювач працюватиме мільярди років, навряд чи вдасться добути з нього злиток золота розміром з каблучку[1]. Іншими словами, алхімічне багатство з сучасних ядерних перетворень нам не загрожує – золото народжується у буквальному сенсі на мить і одразу розсипається на окремі нуклони[2]. Але з наукової точки зору ці новонароджені елементи надзвичайно цінні, адже дають змогу протестувати теорії та моделі ядерних реакцій в унікальному режимі.

Зображення детектора ALICE (зображення: CERN)

Вперше вдалося експериментально зафіксувати появу нових елементів (талію, ртуті, золота) саме в умовах безконтактних зіткнень на LHC[1][2]. Раніше вчені знали, що штучно отримати золото з інших елементів можливо в ядерних реакторах або прискорювачах – такі трансмутації проводилися ще з 1940-х років[1]. Проте досі ніколи не спостерігали народження нових хімічних елементів у процесі взаємодії ядер, які фактично не зіткнулися[1]. Тож вимірювання, виконані колаборацією ALICE у 2025 році, стали унікальними. Результати були оприлюднені в журналі Physical Review C і привернули увагу наукової спільноти та ЗМІ[2][3].

Виявлення «перетворень» і роль детектора ALICE ZDC

Як же експериментально виявити, що іон свинцю в пучку раптом перетворився на інший елемент? Безпосередньо виловити самі ядра талію, ртуті чи золота надзвичайно складно, адже вони вилітають з точки зіткнення з колосальною швидкістю і швидко розпадаються. Однак цей процес лишає «сліди», які може зафіксувати детектор. Команда ALICE використала спеціальні калориметри на нульовому куті (Zero Degree Calorimeters, ZDC) – детектори, встановлені вздовж траси пучка далеко від точки зіткнення[2]. ZDC призначені для виявлення частинок, що летять дуже близько до напрямку пучків після зіткнень. При електромагнітній дисоціації зазвичай вилітають один або кілька нейтронів під невеличким кутом, тож вони потрапляють прямісінько в ZDC і поглинаються в ньому. Втрата нейтронів – майже гарантована ознака того, що відбулося ультрапериферійне зіткнення. Фізики класифікували події за кількістю вибитих протонів: 0, 1, 2 або 3 (при цьому мають вибитися хоча б один-два нейтрони, щоб подію ідентифікували)[2]. Так вони визначили, скільки разів сталося перетворення свинцю відповідно на свинець іншого ізотопу (0 протонів втрачено), талій (1 протон), ртуть (2 протони) чи золото (3 протони).

Zero Degree Calorimeters, ZDC. Зображення CERN.

Ключову роль у цьому аналізі відіграв детектор ZDC, спроєктований спеціально для уловлювання частинок від зіткнень. Цікаво, що однією з розробниць цього детектора була Чіара Опедізано – фізикиня з команди ALICE, яка ще аспіранткою допомагала будувати ZDC[1]. Тож не дивно, що вона з особливим трепетом ставиться до даних, які надходять з цього пристрою. «Тепер, коли я бачу спектр мого детектора, він ніби розмовляє зі мною», жартує Опедізано[1]. Обробляючи сигнали в ZDC, фізики можуть визначити, скільки нейтронів було вибито – за величиною енергії, що вивільнилася при їх поглинанні в калориметрі. А от з протонами складніше: нейтрони не мають заряду і летять прямо, а заряджені протони відхиляються магнітним полем прискорювача і можуть взагалі не долетіти до ZDC[1]. Тому для повного обліку подій з втратою протонів необхідний комплексний підхід – поєднання даних детекторів з комп’ютерним моделюванням траєкторій викинутих протонів.

Молода науковиця Уляна Дмитрієва, аспірантка в команді ALICE, спеціалізувалася саме на моделюванні таких подій. Вона долучилася до дослідження після того, як в студентські роки працювала з теоретиком, що передбачав подібні перетворення свинцю в інших елементи. Уляна хотіла перевірити теорію на практиці. Її завданням стало промоделювати мільйони сценаріїв ультрапериферійних зіткнень і простежити, куди полетять вибиті нейтрони та протони[1]. Це була неабияка задача: нейтрони летять по прямій, і нескладно вирахувати, що вони влучать у ZDC. Натомість протони могли відхилятися магнітними полями кільцевих прискорювачів LHC та врізатися в стінки вакуумної камери або поглиначі пучка в зовсім неочікуваних місцях. Довелося врахувати геометрію прискорювача на сотні метрів довкола і характеристики магнітів, аби передбачити, скільки протонів все ж долетять до потрібних датчиків[1]. Цей етап аналізу виявився чи не найскладнішим, згадує Опедізано. «Нейтрони не мають заряду – летять просто і ми можемо передбачити, де вони зупиняться. А от заряджені протони викривлюють свою траєкторію в магнітних полях LHC. Це було дуже хитро, але Уляна проявила неймовірну наполегливість», – відзначає вона роботу Дмитрієвої[1]. За допомогою Монте-Карло симуляцій Дмитрієва з колегами оцінили ефективність реєстрації кожного виду події детекторами ALICE.

Розрахунки показали, яку частку вибитих протонів і нейтронів реально ”спіймати” в експерименті, враховуючи обмеження геометрії установки[1]. «Це було дійсно складно, адже наші детектори розташовані на відстані понад 100 метрів від точки зіткнення», пояснює Дмитрієва, «але моделювання дало критично важливу інформацію про чутливість наших приладів до таких подій»[1]. Озброївшись цими даними, дослідники перейшли до аналізу справжніх експериментальних зіткнень, відфільтрувавши серед мільярдів подій ті рідкісні випадки, де свинець перетворився на інші елементи.

Перевірка моделей і значення для майбутніх колайдерів

Ретельно зіставивши експериментальні спостереження з результатами симуляції, вчені отримали і хороші, і несподівані новини. З одного боку, моделі правильно передбачили як часто в середньому виникають нові елементи – талій, ртуть, золото при зближеннях свинцевих ядер[1]. Розрахункові й виміряні ймовірності практично збіглися. Але була загадка: моделі хибували щодо того, які саме ізотопи утворюються. Теорія прогнозувала одні комбінації втрачених нейтронів, а експеримент показав інші, і в деяких випадках розбіжність сягала більш ніж двократного розходження[1]. Наприклад, модель може прогнозувати, що золото виникатиме переважно з певним числом нейтронів (умовно кажучи, 197 Au), а на практиці більше утворюється інший ізотоп ( 203 Au). «В деяких випадках модель помилялася більше ніж у два рази», зазначає Уляна Дмитрієва[1]. Ця невідповідність вказує, що існуючі теоретичні уявлення про механізм електромагнітної дисоціації потребують вдосконалення.

Фізики наголошують, що необхідно детально розібратися в цих процесах, якщо ми хочемо будувати більш потужні колайдери в майбутньому[1]. Адже нові елементи – це не лише наукова екзотика, а й практичний виклик для роботи прискорювача. Коли важке ядро змінюється на інше в прискорювальному пучку, утворюється «сторонній» іон із іншим співвідношенням заряду до маси, який уже не підпорядковується налаштуванням магнітних полів і починає неконтрольовано відхилятися від траєкторії[1]. У нинішньому LHC така подія трапляється досить рідко, щоб не становити серйозної загрози. Більшість «втікачів» врешті влучать у спеціальні поглиначі, а якщо їх буде забагато, спрацюють протокол безпеки і пучок аварійно розфокусується (так званий beam dump)[1]. Проте на майбутніх колайдерах, на кшталт запропонованого FCC-hh, інтенсивність пучків буде на порядки вищою. Для FCC доведеться передбачити спеціальні заходи захисту, більш серйозні, ніж на LHC, щоб поглинати ці іони, попереджає Джон Джоветт[1].

За його словами, потужність пучків у FCC досягатиме десятків кіловат, тоді як на LHC ми навчилися мати справу з сотнями ват[1]. В таких умовах ймовірність того, що «трансмутації» ядер будуть обмежувати роботу машини, значно більша. Тому дослідження на кшталт проведеного командою ALICE є надзвичайно важливими заздалегідь, щоб інженери заклали необхідні резерви захисту у проект майбутнього надпотужного колайдера.

Варто підкреслити, що вивчення безконтактних зіткнень важких іонів важливе не лише прикладним, а й фундаментальним аспектом. Програма важких іонів на LHC відкрила доступ до багатьох явищ, яких спершу не очікували. «Серед них – цей захопливий взаємозв’язок між ядерною фізикою, яку досліджують в експериментах, і фізикою пучків, що обмежує продуктивність колайдера», відзначає Джоветт[1]. Іншими словами, сама природа підказує вченим нові підводні камені і можливості, які виникають при експлуатації прискорювачів все більших енергій. Дивовижне перетворення свинцю на золото, яке відбувається у надрах великого колайдера, стало для науковців одночасно здійсненням давньої мрії алхіміків коли свинець перетворюється на золото і ключем до удосконалення технологій наступного покоління. Алхімія без дотику у виконанні прискорювача відкриває нову сторінку в нашому розумінні ядерних взаємодій та їхнього впливу на навколишній світ – від найменших частинок до наймасштабніших наукових установок.

Джерела:

1. Charley S. LHC near-miss collisions turn lead into gold [Electronic resource] // Symmetry Magazine, 13.05.2025.URL: https://www.symmetrymagazine.org/article/lhc-near-miss-collisions-turn-lead-into-gold

2. CERN. ALICE detects the conversion of lead into gold at the LHC [Electronic resource] // CERN News, 08.05.2025. URL: https://home.cern/news/news/physics/alice-detects-conversion-lead-gold-lhc

3. ABC News. Scientists turn lead into gold for 1st time, but only for a split second [Електронний ресурс] / Doc Louallen // ABC News. – 2025. – 13 травня. – URL: abcnews.go.com