دانشمندانی که با شبیه‌سازی بیگ بنگ، به‌طور تصادفی سرب را به طلا تبدیل کردند

کیمیاگران قرون وسطی در آرزوی تبدیل سرب به طلا بودند. امروز ما می‌دانیم که سرب و طلا دو عنصر متفاوت هستند و هیچ فرآیند شیمیایی نمی‌تواند یکی را به دیگری تبدیل کند.

اما دانش مدرن ما، تفاوت اساسی بین یک اتم سرب و یک اتم طلا را به ما می‌گوید: اتم سرب دقیقا سه پروتون بیشتر دارد. بنابراین، آیا می‌توانیم صرفا با بیرون کشیدن سه پروتون از یک اتم سرب، یک اتم طلا خلق کنیم؟ همان‌طور که مشخص شده، ما می‌توانیم این کار را انجام دهیم؛ اما اصلا ساده نیست.

فیزیکدانانی که روی آزمایش آلیس (ALICE) در شتاب‌دهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سوئیس کار می‌کردند، در تلاش برای شبیه‌سازی وضعیت جهان در نخستین لحظات پس از بیگ بنگ، اتم‌های سرب را با سرعت‌های بسیار بالا به یکدیگر کوبیدند و در این میان، به‌طور اتفاقی مقادیر ناچیزی طلا تولید کردند. در واقع، مقادیری بسیار بسیار ناچیز: در مجموع در حدود ۲۹ تریلیونیم گرم.

پروتون‌ها در هسته اتم یافت می‌شوند. چگونه می‌توان آن‌ها را بیرون کشید؟ خب، پروتون‌ها دارای بار الکتریکی هستند؛ این یعنی یک میدان الکتریکی می‌تواند آن‌ها را دفع کند یا بکشد. قرار دادن یک هسته اتمی در یک میدان الکتریکی می‌تواند این کار را انجام دهد.

با این حال، اجزای هسته توسط نیروی بسیار قوی با برد بسیار کوتاه به هم متصل شده‌اند که با نامی خلاقانه، نیروی هسته‌ای قوی شناخته می‌شود. این یعنی برای بیرون کشیدن پروتون‌ها به یک میدان الکتریکی فوق‌العاده قدرتمند نیاز است؛ میدانی در حدود یک میلیون بار قوی‌تر از میدان‌های الکتریکی که صاعقه‌ها را در جو زمین ایجاد می‌کنند.

روشی که دانشمندان برای خلق این میدان به کار بردند، شلیک پرتوهایی از هسته‌های سرب به سمت یکدیگر با سرعت‌های باورنکردنی – نزدیک به سرعت نور – بود.

وقتی هسته‌های سرب برخورد مستقیم دارند، نیروی هسته‌ای قوی وارد عمل می‌شود و در نهایت آن‌ها کاملا نابود می‌شوند. اما در بیشتر موارد، هسته‌ها بدون برخورد مستقیم از کنار هم رد می‌شوند و تنها از طریق نیروی الکترومغناطیسی بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند.

بیشتر بخوانید: گوشی موبایل معدن طلا است؟

شدت یک میدان الکتریکی با دور شدن از یک جسم دارای بار الکتریکی (مانند پروتون)، به‌سرعت کاهش می‌یابد. اما در فاصله‌های بسیار کوتاه، حتی یک بار الکتریکی ناچیز هم می‌تواند میدانی بسیار قوی ایجاد کند.

بنابراین، وقتی یک هسته سرب به‌آرامی از کنار هسته دیگر می‌گذرد، میدان الکتریکی میان آن‌ها عظیم است. این میدان که به‌سرعت میان هسته‌ها تغییر می‌کند، باعث ارتعاش آن‌ها شده و گاهی اوقات سبب می‌شود چند پروتون به بیرون پرتاب کنند. اگر یکی از آن‌ها دقیقا سه پروتون به بیرون پرتاب کند، آن هسته سرب به طلا تبدیل شده است.

اگر یک اتم سرب را به طلا تبدیل کرده‌اید، از کجا متوجه این موضوع می‌شوید؟ در آزمایش آلیس، آن‌ها از آشکارسازهای ویژه‌ای به نام کالریمترهای زاویه صفر برای شمارش پروتون‌های جدا شده از هسته‌های سرب استفاده می‌کنند. آن‌ها نمی‌توانند خودِ هسته‌های طلا را مستقیما مشاهده کنند، بنابراین تنها به‌طور غیرمستقیم از وجود آن‌ها باخبر می‌شوند.

دانشمندان پروژه آلیس محاسبه کرده‌اند که در زمان برخورد پرتوهای هسته سرب، آن‌ها در هر ثانیه حدود ۸۹,۰۰۰ هسته طلا تولید می‌کنند. آن‌ها همچنین تولید عناصر دیگری را نیز مشاهده کردند: تالیوم (که حاصلِ از دست رفتن یک پروتون از سرب است) و همچنین جیوه (حاصل از دست رفتن دو پروتون).

هنگامی که یک هسته سرب با از دست دادن پروتون تغییر شکل می‌دهد، دیگر در آن مدارِ بی‌نقصی که آن را درون لوله خلاءِ پرتو در شتاب‌دهنده هادرونی بزرگ به گردش در می‌آورد، باقی نمی‌ماند. در عرض چند میکروثانیه، این هسته به دیواره‌ها برخورد خواهد کرد.

این اثر باعث می‌شود که شدت پرتو به‌مرور زمان کاهش یابد. بنابراین برای دانشمندان، تولید طلا در این شتاب‌دهنده در واقع بیشتر یک مزاحمت است تا یک موهبت. با این حال، درک این کیمیاگری تصادفی برای فهم نتایج آزمایش‌ها – و برای طراحی آزمایش‌های حتی بزرگ‌تر در آینده – حیاتی است.