Roma – In un articolo pubblicato su Physical Review Journals , la collaborazione ALICE riporta misurazioni che quantificano la trasmutazione del piombo in oro nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN .
Trasformare il piombo, metallo vile, nel prezioso oro era un sogno degli alchimisti medievali. Questa ricerca di lunga data, nota come crisopea , potrebbe essere stata motivata dall’osservazione che il piombo, grigio opaco e relativamente abbondante, ha una densità simile a quella dell’oro, da sempre ambito per il suo splendido colore e la sua rarità. Solo molto più tardi divenne chiaro che piombo e oro sono elementi chimici distinti e che i metodi chimici non sono in grado di trasmutare l’uno nell’altro.
Con l’avvento della fisica nucleare nel XX secolo, si scoprì che gli elementi pesanti potevano trasformarsi in altri, sia naturalmente, per decadimento radioattivo, sia in laboratorio, sotto bombardamento di neutroni o protoni. Sebbene l’oro fosse già stato prodotto artificialmente in questo modo, la collaborazione ALICE ha ora misurato la trasmutazione del piombo in oro mediante un nuovo meccanismo che prevede collisioni di quasi-incidente tra nuclei di piombo all’LHC.
Illustrazione di una collisione ultraperiferica in cui i due fasci di ioni di piombo (208Pb) dell’LHC passano vicini l’uno all’altro senza collidere. Nel processo di dissociazione elettromagnetica, un fotone che interagisce con un nucleo può eccitare oscillazioni della sua struttura interna e provocare l’espulsione di un piccolo numero di neutroni (due) e protoni (tre), lasciando indietro il nucleo di oro (203Au) (Immagine: CERN)
Le collisioni ad altissima energia tra nuclei di piombo all’LHC possono creare plasma di quark e gluoni, uno stato di materia caldo e denso che si ritiene abbia riempito l’universo circa un milionesimo di secondo dopo il Big Bang, dando origine alla materia che oggi conosciamo. Tuttavia, nelle interazioni molto più frequenti, in cui i nuclei si sfiorano senza “toccarsi”, gli intensi campi elettromagnetici che li circondano possono indurre interazioni fotone-fotone e fotone-nucleo che aprono ulteriori prospettive di esplorazione.
Il campo elettromagnetico emanato da un nucleo di piombo è particolarmente intenso perché il nucleo contiene 82 protoni, ciascuno dei quali possiede una carica elementare. Inoltre, l’altissima velocità a cui viaggiano i nuclei di piombo nell’LHC (corrispondente al 99,999993% della velocità della luce) fa sì che le linee del campo elettromagnetico vengano compresse in una sottile frittella, trasversale alla direzione del moto, producendo un impulso di fotoni di breve durata. Spesso, questo innesca un processo chiamato dissociazione elettromagnetica, per cui un fotone che interagisce con un nucleo può eccitare oscillazioni della sua struttura interna, con conseguente espulsione di un piccolo numero di neutroni e protoni. Per creare l’oro (un nucleo contenente 79 protoni), tre protoni devono essere rimossi da un nucleo di piombo nei fasci dell’LHC.
“È impressionante vedere come i nostri rivelatori riescano a gestire collisioni frontali che producono migliaia di particelle, pur essendo sensibili anche a collisioni in cui vengono prodotte solo poche particelle alla volta, consentendo lo studio di rari processi di ‘trasmutazione nucleare’ elettromagnetica”, afferma Marco Van Leeuwen, portavoce di ALICE.
Il team di ALICE ha utilizzato i calorimetri a zero gradi (ZDC) del rivelatore per contare il numero di interazioni fotone-nucleo che hanno portato all’emissione di zero, uno, due e tre protoni accompagnati da almeno un neutrone, associati rispettivamente alla produzione di piombo, tallio, mercurio e oro. Sebbene meno frequenti della creazione di tallio o mercurio, i risultati mostrano che l’LHC attualmente produce oro a una velocità massima di circa 89.000 nuclei al secondo dalle collisioni piombo-piombo nel punto di collisione di ALICE. I nuclei d’oro emergono dalla collisione con energia molto elevata e colpiscono il tubo di fascio o i collimatori dell’LHC in vari punti a valle, dove si frammentano immediatamente in singoli protoni, neutroni e altre particelle. L’oro esiste solo per una minuscola frazione di secondo.
L’analisi di ALICE mostra che, durante il Run 2 dell’LHC (2015-2018), sono stati creati circa 86 miliardi di nuclei d’oro nei quattro esperimenti principali. In termini di massa, ciò corrisponde a soli 29 picogrammi (2,9 × 10-11g). Poiché la luminosità dell’LHC è in continuo aumento grazie ai regolari aggiornamenti delle macchine, il Run 3 ha prodotto quasi il doppio dell’oro del Run 2, ma il totale ammonta comunque a trilioni di volte inferiore a quanto sarebbe necessario per realizzare un gioiello. Mentre il sogno degli alchimisti medievali si è tecnicamente avverato, le loro speranze di ricchezza sono state ancora una volta infrante.
“Grazie alle capacità uniche degli ZDC di ALICE, l’attuale analisi è la prima a rilevare e analizzare sistematicamente la firma della produzione di oro presso l’LHC a livello sperimentale”, afferma Uliana Dmitrieva della collaborazione ALICE.
“I risultati testano e migliorano anche i modelli teorici della dissociazione elettromagnetica che, oltre al loro interesse intrinseco per la fisica, vengono utilizzati per comprendere e prevedere le perdite di fascio che rappresentano un limite importante per le prestazioni dell’LHC e dei futuri acceleratori”, aggiunge John Jowett, anche lui della collaborazione ALICE.(30Science.com)
