رویای کیمیاگران محقق شد؛ تبدیل سرب به طلا در برخورددهنده هادرونی بزرگ

شهر سخت افزار

بروزرسانی 1404/02/21 - 14:50

رویای کیمیاگران محقق شد؛ تبدیل سرب به طلا در برخورددهنده هادرونی بزرگ

شهر سخت افزار/ پژوهشگران در آزمایشگاه سرن، با استفاده از برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، شاهد تبدیل مستقیم سرب به طلا بودند. گرچه مقدار طلای تولید شده تنها چند تریلیونم گرم و عمر آن کسری از ثانیه است، اما این فرآیند با استفاده از آشکارساز ALICE به دقت اندازه‌گیری شده و یکی از افسانه‌های دیرینه در شیمی را به واقعیت تبدیل کرده است.

قرن‌ها پیش، در قرون وسطی، تلاش برای تبدیل سرب معمولی به طلای درخشان و خالص، به یک وسواس واقعی تبدیل شده بود. وسواسی که به اعتقاد برخی، پایه‌های علم شیمی امروزی را بنیان نهاد. شاید کیمیاگران باستانی باید به جای ورد و جادو، به فکر ساخت یک برخورددهنده ذرات می‌بودند! بر اساس مقاله‌ای جدید، در طول دومین دوره فعالیت LHC بین سال‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۸، حدود ۸۶ میلیارد هسته طلا از برخورد هسته‌های سرب با سرعت بالا تولید شده است.

البته این مقدار طلا بسیار ناچیز بوده و پایداری آن نیز بسیار کوتاه، در حد کسری از ثانیه است. اما نکته جالب توجه در این پژوهش، روشی است که فیزیکدانان برای اندازه‌گیری میزان طلای تولید شده به کار برده‌اند: شمارش پروتون‌های جدا شده در برهم‌کنش‌های اتم سرب با استفاده از کالریمترهای درجه صفر (ZDCs) آشکارساز ALICE.

چگونگی تبدیل سرب به طلا در LHC
سرب به دلیل داشتن هسته‌های سنگین، یکی از مواد رایج در آزمایش‌های برخورددهنده ذرات است که منجر به تولید بسیار کوتاه مدت طلا به عنوان یک محصول جانبی می‌شود. از آنجا که در جدول تناوبی، سرب (با ۸۲ پروتون) و طلا (با ۷۹ پروتون) تنها چند خانه با هم فاصله دارند، با جدا کردن چند پروتون (و تعدادی نوترون) از اتم سرب، می‌توان به اتم طلا دست یافت.

امروزه می‌دانیم که برای این کار به یک برخورددهنده ذرات نیاز است که بتواند ذرات را تا انرژی‌های بسیار بالا شتاب دهد تا پروتون‌ها از هسته جدا شوند. به عبارت دیگر، این فرآیند فوق‌العاده انرژی‌بر بوده و به تجهیزات بسیار گران‌قیمت و تخصصی نیاز دارد. پس اگر به دنبال طلا هستید، این روش از نظر هزینه و منابع مورد نیاز، احتمالاً ناکارآمدترین راه برای دستیابی به آن است.

فرایند تبدیل سرب به طلا در برخورد دهنده بزرگ هایدرونی.
جالب است که اتم‌های طلای تولید شده نه از برخورد مستقیم هسته‌های سرب، بلکه از رد شدن آنها از کنار یکدیگر با فاصله بسیار کم در سرعت ۹۹.۹۹۹۹۹۳ درصد سرعت نور در LHC به وجود امده‌اند. در این سرعت‌ها، میدان الکترومغناطیسی اطراف هسته سرب، عمود بر جهت حرکت، گسترش می‌یابد و هنگام عبور نزدیک دو هسته سرب از کنار هم، پالسی از فوتون‌ها ایجاد می‌کند. برهم‌کنش با یک فوتون می‌تواند ساختار داخلی هسته سرب را متزلزل کرده و باعث خروج نوترون‌ها و پروتون‌ها شود.

در این فرآیند تنها طلا تولید نمی‌شود. تعداد ذرات جدا شده از هسته سرب می‌تواند هسته تالیوم (با ۸۱ پروتون) یا هسته جیوه (با ۸۰ پروتون) نیز ایجاد کند. آشکارساز‌های ALICE با شمارش نوترون‌های آزاد همراه با یک، دو یا سه پروتون، تولید هر سه عنصر را اندازه‌گیری کرده است. تالیوم و جیوه به مراتب بیشتر از طلا تولید می‌شوند، اما طلا نیز با نرخ حداکثر حدود ۸۹،۰۰۰ هسته در ثانیه تولید می‌شود.

میزان طلای تولید شده در دومین دوره فعالیت شتاب‌دهنده، تنها ۲۹ پیکوگرم بوده است؛ مقیاسی که باکتری‌ها با آن اندازه‌گیری می‌شوند. علاوه بر این، هسته‌های طلا تقریباً بلافاصله پس از تشکیل، با دیواره‌های LHC برخورد کرده و به بارانی از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها تجزیه می‌شوند.

مارکو فان لیوون، سخنگوی پروژه ALICE از دانشگاه اوترخت، می‌گوید:

اینکه آشکارسازهای ما می‌توانند برخورد مستقیم اتم‌ها با تولید هزاران ذره را مدیریت کنند و همزمان به برخوردهایی که تنها چند ذره تولید می‌کنند حساس باشند، و مطالعه فرآیندهای نادر «تبدیل هسته‌ای» الکترومغناطیسی را ممکن سازند، بسیار تاثیرگذار است.
نتایج این پژوهش در ژورنال Physical Review C منتشر شده است.