大型強子對撞機實現「點金術」:每秒生成8.9萬個金原子核

2025年05月10日17:44:03 科學 1950

中世紀的鍊金術嘗試通過神秘的方法將廉價金屬轉化為黃金。儘管這一目標在當時被認為是不可能的幻想,但現代高能物理實驗正在以全然不同的方式實現這一「鍊金術」。

CERN(歐洲核子研究中心)最新披露,大型強子對撞機LHC)在其第二輪運行期間(2015年至2018年)中,通過將鉛原子以極高速度相互撞擊,製造出了大約860億個金原子核。這些金核並非宏觀意義上的黃金,而是原子層級的金核,其總質量僅為29皮克克(即29萬億分之一克),但卻具有明確的實驗物理意義。

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此次實驗發生在LHC的ALICE(大型離子對撞實驗)探測器內,利用其高靈敏度的粒子追蹤設備,科學家們成功記錄下了這些金原子核的產生與湮滅。值得注意的是,這些金原子核在生成後極短時間內就與束流管壁發生碰撞並被摧毀,整個過程持續時間不到億分之一秒。

ALICE實驗組發言人馬可·范·李文指出:「ALICE探測器可以同時記錄大量高能粒子碰撞和少數粒子的罕見事件,這種廣泛的適應性使我們能夠研究類似『核嬗變』的稀有現象。」

從核物理角度來看,金和鉛在元素周期表中的位置非常接近,金的原子核中含有79個質子,而鉛含有82個。因此,只需從鉛原子核中移除三個質子(以及若干中子),便可實現從鉛到金的轉變。而移除一個或兩個質子則分別得到汞(80)或鉈(81)。

這種變化並非自然過程,而是通過極端高能的電磁碰撞誘發的。為了研究這些高能電磁解體過程,科學家依賴ALICE裝置中的零度量熱計(ZDC),這是一種專門用於探測碰撞中產生的高能質子與中子的設備。

最新的第三輪實驗數據表明,金原子核的生成速度已經提升至每秒大約89,000個,相比第二輪實驗的效率接近翻倍。增長的原因主要是第三輪實驗束流能量更高,從而提升了核嬗變反應的概率。

ALICE實驗組成員烏莉亞娜·德米特里耶娃表示:「這是我們首次系統性地檢測並分析LHC實驗中黃金原子核的生成特徵。」她指出,這一成果不僅擴展了對核電磁解體機制的理解,也為相關理論模型的改進提供了實驗依據。

此外,研究人員強調,了解這些微觀過程有助於評估束流損耗,這是LHC及其未來升級版本在運行效率和安全性方面的重要參數。約翰·喬維特博士指出:「電磁嬗變過程對粒子束的穩定性有著直接影響,因此這些實驗不僅是對基本物理問題的探索,也具有明顯的工程應用價值。」

儘管此次實驗確實實現了「鉛轉金」的古老設想,但從實際應用角度來看,這種方式製造黃金的成本極高、產量極低、存在時間極短,遠不具備工業價值。然而,它在基礎科學研究領域具有重要意義,證明了現代物理能夠精確操控原子核層面的轉變過程。

通過這一實驗,科學家不僅驗證了對撞模型的正確性,還拓展了對強相互作用與電磁相互作用耦合機制的認知。可以說,LHC的「點金術」,更像是一種精密的核物理技術驗證,而非實際的財富創造。

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