ALICE 探测到在 LHC 中铅到金的转化

在 LHC 中，高能铅原子核的近距离碰撞会产生强烈的电磁场，这些电磁场可以敲出质子，并将铅转化为转瞬即逝的金原子核。

2025年5月8日

ALICE探测器照片 (图片来源: CERN)

在发表于 Physical Review Journals 上的一篇论文中，ALICE collaboration 报告了对 CERN 的 Large Hadron Collider (LHC) 中铅转化为金的量化测量。

将贱金属铅转化为贵金属黄金是中世纪炼金术士的梦想。 这种长期存在的追求，被称为 chrysopoeia ，可能是受到以下观察结果的推动：暗淡的灰色，相对丰富的铅与黄金具有相似的密度，而黄金长期以来因其美丽的颜色和稀有性而备受追捧。 很久以后，人们才清楚地认识到，铅和金是不同的化学元素，并且化学方法无法将一种元素转化为另一种元素。

随着 20 世纪核物理学的兴起，人们发现重元素可以通过放射性衰变自然地转化成其他元素，或者在实验室中，通过中子或质子的轰击来转化。 尽管以前曾以这种方式人工生产过黄金，但 ALICE collaboration 现在已经测量了 LHC 中铅原子核之间近距离碰撞的新机制将铅转化为金的过程。

LHC 中铅原子核之间极高能量的碰撞会产生夸克-胶子等离子体，这是一种高温高密度的物质状态，据认为它在大爆炸后约百万分之一秒时充满了宇宙，从而产生了我们现在所知的物质。 然而，在更频繁的相互作用中，原子核只是彼此错过而没有“接触”，它们周围强烈的电磁场可以诱导光子-光子和光子-原子核相互作用，从而开辟 更深层次的 探索途径。

从铅原子核发出的电磁场特别强，因为原子核包含 82 个质子，每个质子带一个基本电荷。 此外，铅原子核在 LHC 中以非常高的速度（相当于光速的 99.999993%）移动，这导致电磁场线被压缩成一个薄薄的饼状，横向于运动方向，从而产生一个短寿命的光子脉冲。 通常，这会触发一个称为电磁解离的过程，其中与原子核相互作用的光子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。 要制造金（包含 79 个质子的原子核），必须从 LHC 光束中的铅原子核中移除三个质子。

“令人印象深刻的是，我们的探测器可以处理产生数千个粒子的正面碰撞，同时对一次只产生少量粒子的碰撞也很敏感，从而能够研究电磁‘核嬗变’过程，”ALICE 发言人 Marco Van Leeuwen 说。

ALICE 团队使用探测器的零度量热仪 (ZDC) 来计算光子-原子核相互作用的数量，这些相互作用导致发射零个、一个、两个和三个质子，同时伴随至少一个中子，这分别与铅、铊、汞和金的产生相关。 虽然不如制造铊或汞那么频繁，但结果表明，LHC 目前在 ALICE 碰撞点以大约每秒 89000 个原子核的最大速率从铅-铅碰撞中产生金。 金原子核以非常高的能量从碰撞中出现，并撞击下游各处的 LHC 光束管道或准直器，在那里它们立即分裂成单个质子、中子和其他粒子。 黄金的存在时间只有一小部分。

ALICE 的分析表明，在 LHC 的 Run 2 期间（2015-2018 年），在四个主要实验中产生了大约 860 亿个金原子核。 就质量而言，这相当于仅 29 皮克（2.9 ×10-11 克）。 由于 LHC 中的光度由于机器的定期升级而不断增加，Run 3 产生的黄金数量几乎是 Run 2 的两倍，但总量仍然比制造一件珠宝所需的数量少数万亿倍。 虽然中世纪炼金术士的梦想在技术上已经实现，但他们对财富的希望再次破灭。

ALICE collaboration 的 Uliana Dmitrieva 说：“由于 ALICE ZDC 的独特功能，目前的分析是第一个系统地检测和分析 LHC 实验性黄金生产特征的分析。”

“这些结果还测试和改进了电磁解离的理论模型，除了它们固有的物理兴趣之外，这些模型还用于理解和预测光束损失，而光束损失是 LHC 和未来对撞机性能的主要限制，”同样来自 ALICE collaboration 的 John Jowett 补充说。

附加图片：

超外围碰撞的图示，其中 LHC 上的两个铅 (208Pb) 离子束在不碰撞的情况下彼此靠近通过。 在电磁解离过程中，与原子核相互作用的光子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，从而留下金 (203Au) 原子核（图片来源：CERN）

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