Οι επιστήμονες που μιμούνται τη Μεγάλη Έκρηξη μετατρέπουν κατά λάθος τον μόλυβδο σε χρυσό

Οι μεσαιωνικοί αλχημιστές ονειρεύονταν να μετατρέψουν τον μόλυβδο σε χρυσό.

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι ο μόλυβδος και ο χρυσός είναι διαφορετικά στοιχεία και καμία ποσότητα χημείας δεν μπορεί να μετατρέψει το ένα στο άλλο.

Αλλά οι σύγχρονες γνώσεις μας μας λένε τη βασική διαφορά μεταξύ ενός ατόμου μολύβδου και ενός ατόμου χρυσού: το άτομο του μολύβδου περιέχει ακριβώς τρία ακόμη πρωτόνια. Μπορούμε λοιπόν να δημιουργήσουμε ένα άτομο χρυσού τραβώντας απλά τρία πρωτόνια από ένα άτομο μολύβδου;

Όπως αποδεικνύεται, μπορούμε. Αλλά δεν είναι εύκολο.

Ενώ συνέτριβαν άτομα μολύβδου μεταξύ τους με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες σε μια προσπάθεια να μιμηθούν την κατάσταση του σύμπαντος αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι φυσικοί που εργάζονταν στο πείραμα ALICE στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ελβετία παρήγαγαν παρεμπιπτόντως μικρές ποσότητες χρυσού.

Εξαιρετικά μικρές ποσότητες, μάλιστα: συνολικά περίπου 29 τρισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου.

Πώς να κλέψετε ένα πρωτόνιο

Τα πρωτόνια βρίσκονται στον πυρήνα ενός ατόμου. Πώς μπορούν να ανασυρθούν;

Λοιπόν, τα πρωτόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο, που σημαίνει ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να τα τραβήξει ή να τα σπρώξει γύρω. Η τοποθέτηση ενός ατομικού πυρήνα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να το κάνει.

Ωστόσο, οι πυρήνες συγκρατούνται από μια πολύ ισχυρή δύναμη με πολύ μικρή εμβέλεια, γνωστή ευφάνταστα ως ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται ένα εξαιρετικά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο για να τραβήξει τα πρωτόνια – περίπου ένα εκατομμύριο φορές ισχυρότερο από τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούν κεραυνούς στην ατμόσφαιρα.

Ο τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες δημιούργησαν αυτό το πεδίο ήταν να εκτοξεύουν δέσμες πυρήνων μολύβδου μεταξύ τους με απίστευτα υψηλές ταχύτητες – σχεδόν την ταχύτητα του φωτός.

Η μαγεία μιας παραλίγο αστοχίας

Όταν οι μολύβδινοι πυρήνες έχουν μια μετωπική σύγκρουση, η ισχυρή πυρηνική δύναμη μπαίνει στο παιχνίδι και καταλήγουν να καταστρέφονται ολοσχερώς. Αλλά πιο συχνά οι πυρήνες έχουν σχεδόν αστοχία και επηρεάζουν ο ένας τον άλλον μόνο μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

Η ισχύς ενός ηλεκτρικού πεδίου πέφτει πολύ γρήγορα καθώς απομακρύνεστε από ένα αντικείμενο με ηλεκτρικό φορτίο (όπως ένα πρωτόνιο). Αλλά σε πολύ μικρές αποστάσεις, ακόμη και ένα μικροσκοπικό φορτίο μπορεί να δημιουργήσει ένα πολύ δυνατό πεδίο.

Έτσι, όταν ένας μολύβδινος πυρήνας περνάει δίπλα από έναν άλλο, το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ τους είναι τεράστιο. Το ταχέως μεταβαλλόμενο πεδίο μεταξύ των πυρήνων τους κάνει να δονούνται και περιστασιακά να φτύνουν κάποια πρωτόνια. Εάν ένα από αυτά φτύσει ακριβώς τρία πρωτόνια, ο πυρήνας του μολύβδου έχει μετατραπεί σε χρυσό.

Μέτρηση πρωτονίων

Αν λοιπόν έχετε μετατρέψει ένα άτομο μολύβδου σε χρυσό, πώς το ξέρετε; Στο πείραμα ALICE, χρησιμοποιούν ειδικούς ανιχνευτές που ονομάζονται θερμιδόμετρα μηδενικού βαθμού για να μετρήσουν τα πρωτόνια που αφαιρέθηκαν από τους πυρήνες του μολύβδου.

Δεν μπορούν να παρατηρήσουν οι ίδιοι τους πυρήνες χρυσού, επομένως γνωρίζουν γι’ αυτούς μόνο έμμεσα.

Οι επιστήμονες ALICE υπολογίζουν ότι, ενώ συγκρούονται με δέσμες πυρήνων μολύβδου, παράγουν περίπου 89.000 πυρήνες χρυσού ανά δευτερόλεπτο. Παρατήρησαν επίσης την παραγωγή άλλων στοιχείων: το θάλλιο, που είναι αυτό που παίρνετε όταν παίρνετε ένα πρωτόνιο από τον μόλυβδο, καθώς και τον υδράργυρο (δύο πρωτόνια).

Μια αλχημική ενόχληση

Μόλις ένας πυρήνας μολύβδου μετασχηματιστεί χάνοντας πρωτόνια, δεν βρίσκεται πλέον στην τέλεια τροχιά που τον κρατά να κυκλοφορεί μέσα στον σωλήνα δέσμης κενού του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Σε λίγα μικροδευτερόλεπτα θα συγκρουστεί με τους τοίχους.

Αυτό το φαινόμενο κάνει τη δέσμη λιγότερο έντονη με την πάροδο του χρόνου. Έτσι, για τους επιστήμονες, η παραγωγή χρυσού στον επιταχυντή είναι στην πραγματικότητα περισσότερο ενόχληση παρά ευλογία.

Ωστόσο, η κατανόηση αυτής της τυχαίας αλχημείας είναι απαραίτητη για την κατανόηση των πειραμάτων – και για το σχεδιασμό των ακόμη μεγαλύτερων πειραμάτων του μέλλοντος.