ALICE团队在大型强子对撞机上探测到铅转化为金的过程
发布时间：2025-05-13 17:31:19 阅读数： 416
图1.ALICE探测器。
在发表于《物理评论 C》（Physical Review C）的一篇论文中，ALICE 合作项目报告了在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）中量化铅嬗变成金的测量结果。
将贱金属铅转化为贵金属金是中世纪炼金术士的梦想。这种长期的探索被称为 “金铅之谜”（chrysopoeia），其动机可能是观察到暗灰色、相对丰富的铅与金的密度相似，而金因其美丽的颜色和稀有性长期以来一直令人垂涎。直到很久以后，人们才清楚地认识到铅和金是不同的化学元素，化学方法无法将两者相互转化。
随着 20 世纪核物理的兴起，人们发现重元素可以通过放射性衰变自然转化为其他元素，或者在实验室中通过中子或质子的轰击转化为其他元素。虽然金以前也曾以这种方式被人工生产出来，但 ALICE 合作小组现在通过一种新的机制，即在大型强子对撞机中铅原子核之间的近距离碰撞，测量到了铅向金的嬗变。
在大型强子对撞机上，铅核之间的极高能对撞可以产生夸克-胶子等离子体，这是一种炙热而致密的物质状态，被认为在宇宙大爆炸后的百万分之一秒左右就充满了宇宙，产生了我们现在所知的物质。然而，在更为频繁的相互作用中，原子核只是相互错过而没有 “接触”，它们周围的强电磁场可以诱发光子-光子和光子-原子核相互作用，从而开辟更多的探索途径。
铅核发出的电磁场特别强，因为铅核包含 82 个质子，每个质子都带一个基本电荷。此外，铅核在大型强子对撞机中以极快的速度（相当于光速的 99.999993%）运动，导致电磁场线被挤压成一个薄饼，横向于运动方向，产生短暂的光子脉冲。
通常情况下，这会触发一个称为电磁解离的过程，即光子与原子核相互作用会激发其内部结构的振荡，从而导致少量中子和质子的喷射。要产生金（含有 79 个质子的原子核），必须在大型强子对撞机的光束中从铅核中取出三个质子。
图2.大型强子对撞机（LHC）上的两束铅离子（ 208Pb ）在超边缘碰撞中近距离通过，但未发生碰撞。在电磁解离过程中，光子与原子核相互作用会激发其内部结构的振荡，并导致少量中子（两个）和质子（三个）的喷射，留下金（203Au）原子核。
ALICE发言人Marco Van Leeuwen表示：“令人印象深刻的是，我们的探测器既能处理产生数千个粒子的正面碰撞，又能对一次只产生几个粒子的碰撞保持敏感，从而能够研究罕见的电磁‘核嬗变’过程。”
ALICE 团队使用探测器的零度量热计（ZDC）来计算光子-原子核相互作用的次数，这些相互作用导致零、一、二和三个质子的发射，并伴有至少一个中子，这分别与铅、铊、汞和金的产生有关。
研究结果表明，尽管金的产生不如铊或汞那么频繁，但目前大型强子对撞机在ALICE碰撞点的铅-铅碰撞中产生金的速度最高可达每秒约89,000个原子核。碰撞产生的金原子核能量非常高，在下游不同位置撞击到大型强子对撞机的束管或准直器上，立即碎裂成单个质子、中子和其他粒子。金的存在时间仅为几分之一秒。
ALICE 分析显示，在大型强子对撞机运行 2 期间（2015-2018 年），四个主要实验共产生了约 860 亿个金原子核。就质量而言，这仅相当于 29 皮克（2.9 × 10-11 克）。由于机器的定期升级，大型强子对撞机的光度在不断提高，因此运行3产生的金几乎是运行2的两倍，但总量仍比制作一件珠宝所需的金少数万亿倍。
虽然中世纪炼金术士的梦想在技术上已经实现，但他们致富的希望再次破灭。
ALICE 合作项目的 Uliana Dmitrieva 表示：“得益于 ALICE ZDCs 的独特能力，本次分析首次系统地探测和分析了大型强子对撞机实验中金产生的特征。”
同样来自 ALICE 合作项目的 John Jowett 补充道：“这些结果还检验并改进了电磁解离的理论模型，除了其内在的物理学意义外，这些模型还用于理解和预测束流损耗，而束流损耗是限制大型强子对撞机和未来对撞机性能的主要因素?！?/span>
