Les collisions quasi entre la musculation entre les noyaux de plomb à haute énergie au niveau du grand collisionneur de hadrons du CERN génèrent des champs électromagnétiques intenses qui peuvent éliminer les protons et transformer le plomb en quantités éphémères de noyaux d’or.
Transformer le plomb en métal de base en l’or en métal précieux a été un rêve d’alchimistes médiévaux.
Cette quête de longue date, connue sous le nom de chrysopéie, peut avoir été motivée par l’observation que le plomb gris terne et relativement abondant est d’une densité similaire à l’or, qui a longtemps été convoitée pour sa belle couleur et sa rareté.
Ce n’est que beaucoup plus tard qu’il est devenu clair que le plomb et l’or sont des éléments chimiques distincts et que les méthodes chimiques sont impuissantes pour en transmuter l’une dans l’autre.
Avec l’aube de la physique nucléaire au 20e siècle, il a été découvert que des éléments lourds pouvaient se transformer en autres, naturellement, par désintégration radioactive, soit en laboratoire, sous un bombardement de neutrons ou de protons.
Bien que l’or ait été produit artificiellement de cette manière auparavant, les physiciens de la collaboration Alice au grand collisionneur de hadron (LHC) du CERN ont maintenant mesuré la transmutation de plomb dans l’or par un nouveau mécanisme impliquant des collisions quasi entre la musculation entre les noyaux de plomb au LHC.
Les collisions extrêmement énergiques entre les noyaux de plomb au LHC peuvent créer du plasma de quark-gluon, un état de matière chaud et dense qui aurait rempli l’univers autour d’un millionième de seconde après le Big Bang, donnant lieu à la question que nous connaissons maintenant.
Cependant, dans les interactions beaucoup plus fréquentes où les noyaux se manquent simplement sans «toucher», les champs électromagnétiques intenses qui les entourent peuvent induire des interactions photon-photon et photon-nucléus qui ouvrent d’autres voies d’exploration.
Le champ électromagnétique émanant d’un noyau de plomb est particulièrement fort car le noyau contient 82 protons, chacun portant une charge élémentaire.
De plus, la vitesse très élevée à laquelle le voyage de noyaux de plomb dans le LHC fait écraser les lignes de champ électromagnétique dans une crêpe mince, transversale à la direction du mouvement, produisant une impulsion de photons à courte durée de vie.
Souvent, cela déclenche un processus appelé dissociation électromagnétique, par lequel un photon interagissant avec un noyau peut exciter des oscillations de sa structure interne, entraînant l’éjection de petits nombres de neutrons et de protons.
Pour créer de l’or (un noyau contenant 79 protons), trois protons doivent être retirés d’un noyau de plomb dans les faisceaux LHC.
« Il est impressionnant de voir que nos détecteurs peuvent gérer des collisions frontalières produisant des milliers de particules, tout en étant sensibles aux collisions où seules quelques particules sont produites à la fois, permettant l’étude des processus électromagnétiques de la transmutation nucléaire » « , a déclaré le porte-parole d’Alice, le Dr Marco Van Leeuwen, un physicien à Nikhef.
L’équipe Alice a utilisé les calorimètres à zéro degrés (ZDC) du détecteur pour compter le nombre d’interactions photon-nucleus qui ont entraîné l’émission de zéro, un, deux et trois protons accompagnés d’au moins un neutron, qui sont associés à la production de plomb, de thallium, de mercure et d’or, respectivement.
Bien que moins fréquents que la création de thallium ou de mercure, les résultats montrent que le LHC produit actuellement de l’or à un rythme maximal d’environ 89 000 noyaux par seconde à partir de collisions de plomb au point de collision Alice.
Les noyaux d’or émergent de la collision avec une très haute énergie et frappent le tuyau de faisceau LHC ou les collimateurs à différents points en aval, où ils se fragment immédiatement en protons uniques, neutrons et autres particules. L’or existe pour une petite fraction de seconde.
L’analyse Alice montre que, lors de l’exécution 2 du LHC, environ 86 milliards de noyaux d’or ont été créés lors des quatre grandes expériences. En termes de masse, cela ne correspond à que 29 picogrammes (2,9 * 10-11 g).
Étant donné que la luminosité dans le LHC augmente continuellement grâce aux améliorations régulières des machines, Run 3 a produit presque le double de la quantité d’or qui a fait 2, mais le total s’élève toujours à des milliards de fois moins que ce qui serait nécessaire pour fabriquer un bijou.
Alors que le rêve des alchimistes médiévaux s’est techniquement réalisé, leurs espoirs de richesse ont de nouveau été anéantis.
« Grâce aux capacités uniques des ZDC Alice, la présente analyse est la première à détecter et à analyser systématiquement la signature de la production d’or au LHC expérimentalement », a déclaré le Dr Uliana Dmitrieva, membre de la collaboration Alice.
«Les résultats testent et améliorent également les modèles théoriques de dissociation électromagnétique qui, au-delà de leur intérêt physique intrinsèque, sont utilisés pour comprendre et prédire les pertes de faisceau qui sont une limite majeure sur les performances du LHC et des futurs colliders», a déclaré le Dr John Jowett, membre de la collaboration Alice.
Les nouveaux résultats apparaissent dans la revue Physical Review C.
