原创 科学炼金术:在大型强子对撞机实验中,铅瞬间变成了黄金
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2025-05-13 09:54:00
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几个世纪前,据说炼金术的一个分支 —— 点金术(chrysopoeia)探索了将普遍存在的贱金属转化为贵金属的可能性。早期的实践者从来没有成功过,但在使用大型强子对撞机(LHC)研究大爆炸后出现的条件时,科学家们似乎已经把铅变成了金 —— 仅仅是几分之一秒。

在你过于兴奋并开始考虑投资大型强子对撞机作为一种新的资产类别之前,你需要知道,它并不是一大堆黄金。事实上,它“比制作一件珠宝所需的量少数万亿倍。”但你仍然可以惊讶于这样一个事实:一种元素通过一种新机制转化为另一种具有截然不同性质的元素。

在我们深入研究过程之前,让我们回顾一下它发生的地方。大型强子对撞机是世界上最大、最强大的粒子加速器:在一个圆形隧道中,科学家们以惊人的速度将微小粒子粉碎在一起。该隧道周长17英里(27公里),位于瑞士日内瓦。

该设施用于测试粒子物理学的理论预测,更好地了解宇宙中的力是如何工作的,并理解大爆炸。

大型强子对撞机会经历“运行”,即对撞机为科学实验而积极加速和碰撞粒子的运行期。第一阶段(2010-2013)以发现希格斯玻色子而告终。

第二轮实验在2015年至2018年之间进行,对于完善我们对粒子物理学标准模型的理解,以及更详细地探索希格斯玻色子的特性至关重要。

现在在大型强子对撞机里,你有“ALICE”,大型离子对撞机实验的缩写。它指的是一个特定的探测器和研究项目的设施,并专注于强相互作用物质的物理学。

这个想法是通过测量所谓的夸克-胶子等离子体的特性来研究大爆炸后立即存在的条件。

当你在大型强子对撞机中以接近光速的速度进行铅核之间的高能碰撞时,它会产生夸克-胶子等离子体,这是一种热而致密的物质状态,据信在大爆炸发生后充满了整个宇宙。铅原子核也有很强的电磁场。

事实证明,高速的铅原子核,它们之间频繁的近距离相互作用以及它们的电磁场是金的配方。运行大型强子对撞机的欧洲核子研究中心(CERN)的工作人员解释说:“… 铅核在LHC中以非常高的速度行进(相当于光速的99.999993%),导致电磁场线被压成一个薄片,横向于运动方向,产生短时间的光子脉冲。”

“通常,这触发了一个称为电磁离解的过程,即光子与原子核相互作用可以激发其内部结构的振荡,导致少量中子和质子的喷射。为了产生金(一个包含79个质子的原子核),必须从大型强子对撞机光束中的铅原子核中去除3个质子。“ALICE”小组使用探测器的零度量热计(ZDC)来计算光子-核相互作用的数量,这些相互作用导致发射零、一、二和三个质子,并伴有至少一个中子,这分别与铅、铊、汞和金的产生有关。

就这样,金核从碰撞中出现,并撞击到大型强子对撞机的束流管中,在那里它们立即分裂成单个质子、中子和其他粒子。因此,在实验装置中,铅在极短的时间内通过未遂碰撞转化为黄金。

这是第一次在大型强子对撞机上测量黄金产量,结果发表在上周的《物理评论杂志》上。当然,它可能只有29皮克的黄金,但从技术上讲,它仍然可以算作炼金术。所以,我们的祖先可能确实在几百年前就发现了一些东西。

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