LHC verandert lood in goud en realiseert droom van alchemie

Geavanceerde materialen

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 05/08/2025

Dit is de ALICE-detector, waarin loodatomen worden omgezet in goudatomen. [Afbeelding: CERN]

Lood verandert in echt goud - of bijna echt goud

Voor het eerst hebben botsingen tussen loodkernen, die tot extreem hoge snelheden werden versneld in de LHC, de grootste deeltjesversneller ter wereld, elektromagnetische velden gegenereerd die sterk genoeg waren om protonen te elimineren en lood in goud te transformeren.

Dat wil niet zeggen dat er straks een goudfabriek komt, want de geproduceerde hoeveelheden zijn minimaal, de kosten voor het winnen van het edelmetaal zijn vele malen hoger dan de waarde van het verkregen materiaal en het geproduceerde goud kan niet eens verzameld worden, omdat het binnen een fractie van een seconde weer afbreekt.

Tijdens de vier jaar durende botsingen werden in de vier hoofdexperimenten 86 miljard goudkernen gecreëerd. In termen van massa komt dit overeen met slechts 29 picogram (2,9 × 10 ^-11 g). Tegen de huidige goudprijs, ongeveer R$ 600,00 per gram, zouden ze R$ 0,000000006 waard zijn.

Maar dat is niet waar het om gaat, want het is een prestatie van groot belang voor de geschiedenis van de wetenschap en natuurlijk ook voor de natuurkunde.

Het transformeren van lood, een onedel metaal, in goud, een edelmetaal, was de droom van middeleeuwse alchemisten . Deze langdurige zoektocht, bekend als chrysopoeia, werd mogelijk ingegeven door de observatie dat lood, dat een doffe grijze kleur heeft en relatief veel voorkomt, een dichtheid heeft die vergelijkbaar is met die van goud. Pas veel later werd duidelijk dat lood en goud twee verschillende chemische elementen zijn en dat chemische methoden niet in staat zijn om de een in de ander om te zetten. Pas veel later begrepen wetenschappers dat het voorstel van de alchemisten metaforisch was.

In de 20e eeuw toonde de ontwikkeling van de kernfysica aan dat zwaardere elementen kunnen worden omgezet in lichtere elementen. Dit kan op natuurlijke wijze gebeuren door radioactief verval of in het laboratorium door een bombardement met neutronen of protonen. Hoewel goud op deze manier al op kunstmatige wijze werd geproduceerd, heeft de ALICE-detector, een van de vier grote detectoren bij de LHC, nu de transmutatie van lood in goud gemeten via een nieuw mechanisme waarbij gebruik wordt gemaakt van 'bijna-botsingen' - de loodkernen scheren daadwerkelijk langs elkaar.

Ultraperifere botsing waarbij de twee bundels loodionen (208Pb) in de LHC vlak langs elkaar passeren zonder te botsen. Tijdens het proces van elektromagnetische dissociatie kan een foton dat interageert met een kern oscillaties in de interne structuur ervan opwekken, wat resulteert in de uitstoot van een klein aantal neutronen (twee) en protonen (drie), waarbij de goudkern (203Au) achterblijft. [Afbeelding: CERN]

Hoe de LHC lood in goud verandert

Botsingen met extreem hoge energie tussen loodkernen bij de LHC zorgen voor het ontstaan ​​van quark-gluonplasma , een hete, dichte toestand van materie waarvan men denkt dat die het heelal ongeveer een miljoenste van een seconde na de oerknal heeft gevuld en waaruit de materie is ontstaan ​​die we nu kennen.

Bij interacties die veel vaker voorkomen, waarbij kernen bijna met elkaar botsen maar niet rechtstreeks met elkaar, kunnen de intense elektromagnetische velden om hen heen foton-foton- en foton-kern-interacties veroorzaken die nieuwe mogelijkheden bieden voor het manipuleren van materie.

Het elektromagnetische veld dat van een loodkern uitgaat, is bijzonder sterk omdat de kern 82 protonen bevat, die elk een elementaire lading dragen. Bovendien zorgt de extreem hoge snelheid waarmee de loodkernen in de LHC bewegen (overeenkomend met 99,999993% van de lichtsnelheid) ervoor dat de elektromagnetische veldlijnen worden samengeperst tot een dunne pannenkoek, dwars op de bewegingsrichting, waardoor een korte puls van fotonen ontstaat.

Dit veroorzaakt vaak een proces dat elektromagnetische dissociatie heet, waarbij een foton dat interageert met een kern oscillaties in de interne structuur ervan kan veroorzaken, wat resulteert in de uitstoot van een klein aantal neutronen en protonen. Om goud (een kern met 79 protonen) te creëren, moeten in de LHC-bundels drie protonen uit een loodkern worden verwijderd.

"Het is indrukwekkend om te zien dat onze detectoren frontale botsingen aankunnen waarbij duizenden deeltjes vrijkomen, maar ook gevoelig zijn voor botsingen waarbij telkens maar een paar deeltjes vrijkomen. Dat maakt het mogelijk om zeldzame elektromagnetische 'nucleaire transmutatie'-processen te bestuderen", aldus Marco Van Leeuwen, woordvoerder van de ALICE Collaboration.

Verschillende elementen geproduceerd

Het ALICE-team gebruikte sensoren genaamd nulgradencalorimeters (ZDC's) om het aantal foton-kerninteracties te tellen die resulteerden in de emissie van nul, één, twee of drie protonen vergezeld van minstens één neutron. Deze worden respectievelijk in verband gebracht met de productie van lood, thallium, kwik en goud.

Hoewel dit minder frequent is dan de productie van thallium of kwik, laten de resultaten zien dat de LHC momenteel goud produceert met een maximale snelheid van ongeveer 89.000 kernen per seconde uit lood-loodbotsingen op de ALICE-botsingslocatie.

De goudkernen komen met zeer hoge energie uit de botsing en botsen op verschillende punten stroomafwaarts tegen de bundelbuis of collimatoren van de LHC. Daar vallen ze onmiddellijk uiteen in afzonderlijke protonen, neutronen en andere deeltjes. Met andere woorden: goud bestaat slechts een fractie van een seconde en kan niet verzameld worden.

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen