دانشمندان در یک دستاورد خیرهکننده در شتابدهنده بزرگ هادرونی موفق شدند چیزی را ثبت کنند که زمانی افسانه به نظر میرسید: تبدیل سرب به طلا. این پدیده نه در آزمایشگاههای کیمیاگران قرون وسطی، بلکه در تونلی ۲۷ کیلومتری زیر مرز فرانسه و سوئیس رخ داد.
در تاریخ ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۵، پژوهشگران اعلام کردند یونهای سرب در برخوردهایی بسیار خاص، برای کسری از ثانیه به هستههای طلا تبدیل شدهاند، سپس دوباره به مادهای پایدارتر فروپاشیدهاند. تحلیلها نشان میدهد در هر اجرای برخورد سرب، تولید هستههای طلا با سطح مقطع قابل مقایسه با نرخ کل برخوردهای هادرونی اتفاق میافتد. به بیان سادهتر، این «کیمیاگری مدرن» بسیار رایجتر از تصور قبلی است.
برخوردهای محیطی؛ جایی که طلا متولد میشود
در اغلب آزمایشهای برخورددهنده، ذرات مستقیماً به هم کوبیده میشوند تا حجم عظیمی از ذرات ثانویه تولید شود. اما در این مطالعه، تمرکز بر برخوردهای فوقمحیطی بود؛ حالتی که دو هسته اتمی بدون تماس مستقیم از کنار هم عبور میکنند.
در این شرایط، میدانهای الکترومغناطیسی قدرتمند دو هسته با یکدیگر برهمکنش میکنند. هر یون، دیگری را با سیلی از فوتونهای پرانرژی بمباران میکند. این فرآیند میتواند یک، دو یا سه پروتون را از هسته خارج کند.
سه پروتون کمتر، یک هسته طلا
اگر سه پروتون از هسته سرب-۲۰۸ جدا شود، هسته حاصل به طلا-۲۰۵ تبدیل میشود. این تحقق رؤیای کیمیاگران تنها حدود ۱۰−۲۳ ثانیه دوام دارد، اما همین زمان برای ثبت سیگنال در آشکارسازها کافی است.
پژوهشگران با بازتنظیم سامانههای خوانش داده، افزودن فیلترهای حذف رویدادهای ناخواسته، و بهبود مدلهای برازش آماری، توانستند این رویدادهای پاک و کمنویز را شناسایی کنند.
چرا این برخوردهای نزدیک اهمیت دارند؟
برخلاف برخوردهای مرکزی که مملو از بقایای هادرونی هستند، برهمکنشهای فوتونی محیطی بسیار تمیزند. این ویژگی به فیزیکدانان اجازه میدهد ساختار هسته را با دقت بیسابقه مطالعه کنند و نظریه الکترودینامیک کوانتومی را در مقیاسهای انرژی جدید بیازمایند.
نتایج نشان داد سطح مقطع تولید طلا برابر با ۶.۸ بارن است؛ تنها ۱۲ درصد کمتر از نرخ کل برخوردهای غیرکشسان سرب-سرب در همان انرژی. به بیان دیگر، تقریباً هر بار که یک برخورد هادرونی رخ میدهد، رویدادی در نزدیکی آن اتفاق میافتد که طی آن یک یون سرب بیصدا به طلا تبدیل میشود.
- کانال بدون حذف پروتون: ۱۵۷.۵ بارن
- کانال حذف یک پروتون: ۴۰.۴ بارن
- کانال حذف دو پروتون: ۱۶.۸ بارن
این دادهها با پیشبینیهای مدل فوتوهستهای RELDIS همخوانی داشتند، هرچند برخی اختلافها نشان میدهد مدلهای موجود در توصیف گسیل پیشتعادلی دقیق نیستند.
ردیابی کیمیاگری در سرعت نور
همکاری ALICE از کالریمترهای درجه صفر که در فاصله ۱۱۲ متری پاییندست نقطه برخورد قرار دارند استفاده میکند. تیم تحقیقاتی رویدادهایی را انتخاب کرد که انرژی پروتون در محدوده دو انحراف معیار انرژی پرتو بود و حداقل یک نوترون در آشکارساز مجاور ثبت شده بود.
از میان بیش از دو میلیون تریگر، حدود دو میلیون رویداد خالص استخراج شد. مطالعات مونتکارلو نشان داد سهم برخوردهای هادرونی اشتباه کمتر از یک درصد است، بنابراین سیگنال فوتونی تقریباً خالص باقی ماند.
برازش نهایی قلههای پهن تکپروتونی و دوپروتونی را آشکار کرد. پهنای این قلهها تقریباً دو برابر قلههای نوترونی بود، زیرا پروتونهای نسبیتی ممکن است بخشی از انرژی خود را در لبههای کالریمتر از دست بدهند.
اهمیت برای شتابدهندههای آینده
حذف سه پروتون، سرب را به طلا تبدیل میکند. حذف یک پروتون، آن را به تالیم بدل میسازد که در میدان مغناطیسی انحراف متفاوتی دارد. اگر پرتوهای ثانویه بهدرستی کنترل نشوند، میتوانند به اجزای سرد برخورد کرده، آهنرباهای ابررسانا را خاموش کنند یا سامانههای ایمنی را فعال سازند.
این مسئله برای ارتقای ۲۷ تِراالکترونولتی و همچنین طرح برخورددهنده دایرهای آینده به طول ۱۰۰ کیلومتر حیاتی است. اندازهگیری کامل کانالهای صفر تا سه پروتون به مهندسان کمک میکند نقشههای تلفات پرتو را برای طراحی حفاظها و کولیماتورها دقیقتر تهیه کنند.
فراتر از طلا؛ تولید ایزوتوپهای دیگر
برخوردهای نزدیک میتوانند ایزوتوپهایی از جیوه، تالیم یا پلاتین تولید کنند. هر یک مسیر واپاشی منحصربهفردی دارد و دادههای ارزشمندی برای پژوهشهای پراکندگی نور-به-نور، جستجوی ذرات شبهاکسیون، و مطالعه برانگیزش هستهای فراهم میکند.
هر یون از دسترفته به معنای از دست رفتن زمان و هزینه عملیاتی قابل توجه است. بنابراین ثبت یک چشمبرهمزدن طلا، بیشتر از ثروتاندوزی، به معنای حفظ کارایی تأسیسات چندمیلیارددلاری است.
گامهای بعدی در فیزیک طلا
پژوهشگران قصد دارند با دادههای جدید، گسیل چهار و پنج پروتون را نیز بررسی کنند. این کار حساسیت را به هستههایی در محدوده هافنیوم و تانتال میرساند.
همچنین یک تریگر اختصاصی برای برخوردهای فوقمحیطی در دست توسعه است که منطق کالریمتر را با فیلترهای یادگیری ماشین بلادرنگ ترکیب میکند تا رویدادهای نادر بدون فشار بر سامانه ثبت داده شناسایی شوند.
اگر این طرح موفق شود، فیزیکدانان میتوانند کیمیاگری مدرن را تقریباً همزمان با وقوع آن مشاهده کنند.
جمعبندی؛ کیمیاگری مدرن در شتابدهنده بزرگ هادرونی
تبدیل سرب به طلا در شتابدهنده بزرگ هادرونی نشان میدهد مرز میان افسانه و علم تا چه اندازه باریک است. این کشف نه برای تولید ثروت، بلکه برای درک عمیقتر ساختار ماده و تضمین عملکرد ایمن شتابدهندههای آینده اهمیت دارد.
این مطالعه در نشریه Physical Review C منتشر شده است.
نظر شما درباره تبدیل سرب به طلا چیست؟ آیا این دستاورد میتواند مسیر فیزیک هستهای را تغییر دهد؟ دیدگاه خود را با ما در میان بگذارید و مقاله را با علاقهمندان علم به اشتراک بگذارید.
