حقق علماء سيرن ما حلم به الكيميائيون في العصور الوسطى: تحويل الرصاص إلى ذهب.
قامت تجربة بقياس تكوّن الذهب من نوى الرصاص خلال تصادمات كادت أن تُصيب الهدف في مصادم الهدرونات الكبير.
تُحفّز هذه التفاعلات عالية السرعة عمليات كهرومغناطيسية تُطلق أحيانًا ثلاثة بروتونات، مُنتجةً ذرات الذهب. تُنتج مليارات منها، ولكن لجزء من الثانية فقط.
الرصاص إلى ذهب: إنجاز كيميائي حديث في سيرن
في دراسة نُشرت حديثًا في مجلة Physical Review Journals، لاحظ علماء من تجربة ALICE التابعة لسيرن شيئًا استثنائيًا: تحوّل الرصاص إلى ذهب داخل مصادم الهدرونات الكبير (LHC) القوي.
لقرون، حلم الكيميائيون بتحويل الرصاص إلى ذهب. يُعرف هذا المسعى القديم باسم "الكريسوبويا"، وقد استند إلى فكرة أن كلا المعدنين ثقيلان ويشتركان في خصائص متشابهة. بالطبع، نعلم الآن أن الرصاص والذهب عنصران مختلفان تمامًا، ولا يمكن لأي عملية كيميائية تحويل أحدهما إلى الآخر.
نوع جديد من الكيمياء - مدعوم بالفيزياء
في القرن العشرين، كشفت الفيزياء النووية أن الذرات يمكن أن تتحول من عنصر إلى آخر. يمكن أن يحدث هذا بشكل طبيعي من خلال الاضمحلال الإشعاعي أو أن يتم تحفيزه في المختبرات باستخدام جسيمات عالية الطاقة مثل النيوترونات أو البروتونات. سبق أن صُنع الذهب بهذه الطريقة، ولكن الآن، قام فريق أليس بقياس طريقة جديدة تمامًا لتغيير العناصر - هذه المرة باستخدام تصادمات قريبة بين ذرات الرصاص عالية السرعة.
عندما تتسابق نواتا رصاص عبر مصادم الهدرونات الكبير بسرعة تقارب سرعة الضوء، فإنهما أحيانًا تخطئان بعضهما البعض. فبدلًا من الاصطدام وجهاً لوجه، تمران على مقربة كافية لتحفيز قوى كهرومغناطيسية شديدة. يمكن أن تولد هذه التفاعلات دفعات من الطاقة تُغير هوية النوى الذرية، بما في ذلك تحويل الرصاص إلى ذهب.
.jpg)
صورة لكاشف أليس.
انفجارات الفوتونات والانزياحات النووية
يتميز المجال الكهرومغناطيسي المنبعث من نواة الرصاص بقوة خاصة لاحتواء النواة على 82 بروتونًا، يحمل كل منها شحنة أولية واحدة. علاوة على ذلك، فإن السرعة العالية جدًا التي تتحرك بها نوى الرصاص في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) (والتي تعادل 99.999993% من سرعة الضوء) تتسبب في سحق خطوط المجال الكهرومغناطيسي إلى شكل فطيرة رقيقة، عرضية لاتجاه الحركة، مما ينتج عنه نبضة قصيرة العمر من الفوتونات. غالبًا ما يُطلق هذا عملية تُسمى التفكك الكهرومغناطيسي، حيث يمكن لفوتون متفاعل مع النواة أن يُثير تذبذبات في بنيتها الداخلية، مما يؤدي إلى طرد أعداد صغيرة من النيوترونات والبروتونات. لإنتاج الذهب (نواة تحتوي على 79 بروتونًا)، يجب إزالة ثلاثة بروتونات من نواة الرصاص في حزم مصادم الهدرونات الكبير.
يقول ماركو فان ليوين، المتحدث باسم مشروع ALICE: "من المثير للإعجاب أن نرى أن أجهزة الكشف لدينا قادرة على التعامل مع التصادمات المباشرة التي تُنتج آلاف الجسيمات، مع حساسيتها العالية للتصادمات التي لا ينتج فيها سوى عدد قليل من الجسيمات في كل مرة، مما يُتيح دراسة عمليات "التحويل النووي" الكهرومغناطيسي".
عد ذرات الذهب في تصادم الجسيمات
استخدم فريق ALICE مسعرات درجة الصفر (ZDC) الخاصة بالكاشف لحساب عدد تفاعلات الفوتون والنواة التي أدت إلى انبعاث صفر، وواحد، واثنين، وثلاثة بروتونات مصحوبة بنيوترون واحد على الأقل، وهي تفاعلات مرتبطة بإنتاج الرصاص، والثاليوم، والزئبق، والذهب، على التوالي. ورغم أن هذه التفاعلات أقل تواترًا من إنتاج الثاليوم أو الزئبق، إلا أن النتائج تُظهر أن مصادم الهدرونات الكبير (LHC) يُنتج حاليًا الذهب بمعدل أقصى يبلغ حوالي 89,000 نواة في الثانية من تصادمات الرصاص عند نقطة تصادم ALICE. تنبثق نوى الذهب من الاصطدام بطاقة عالية جدًا وتصطدم بأنبوب شعاع مصادم الهدرونات الكبير (LHC) أو المصادمات في نقاط مختلفة أسفله، حيث تتفتت فورًا إلى بروتونات ونيوترونات وجسيمات أخرى. يبقى الذهب موجودًا لجزء ضئيل من الثانية.
كنز زائل: مليار ذرة ذهب، لكن بلا مجوهرات
يُظهر تحليل أليس أنه خلال الجولة الثانية من مصادم الهدرونات الكبير (2015-2018)، تم إنتاج حوالي 86 مليار نواة ذهب في التجارب الأربع الرئيسية. من حيث الكتلة، يُعادل هذا 29 بيكوغرامًا فقط (2.9 × 10-11 غرام). ونظرًا لتزايد سطوع مصادم الهدرونات الكبير باستمرار بفضل التحديثات المنتظمة للآلات، فقد أنتجت الجولة الثالثة ضعف كمية الذهب التي أنتجتها الجولة الثانية تقريبًا، لكن إجمالي الكمية لا يزال أقل بتريليونات المرات مما هو مطلوب لصنع قطعة مجوهرات. وبينما تحقق حلم الكيميائيين في العصور الوسطى من الناحية التقنية، تبددت آمالهم في الثراء مرة أخرى. ما وراء الذهب: تحسين فيزياء المصادمات
بفضل القدرات الفريدة لمراكز البيانات الكسرية ALICE، يُعدّ هذا التحليل أول تحليل يكشف ويحلل بشكل منهجي بصمة إنتاج الذهب في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) تجريبيًا، وفقًا لـ أوليانا دميتريفا، من مشروع ALICE. ويضيف جون جويت، وهو أيضًا من فريق ALICE: "تُستخدم البيانات التي تم الحصول عليها من تجارب الفيزياء الجوهرية لفهم وتوقع خسائر الحزم التي تشكل حدًا رئيسيًا لأداء LHC والمصادمات المستقبلية".
المصدر: