Megtörtént a lehetetlen: az ólomból aranyat hoztak létre

A középkori alkimisták arról álmodoztak, hogy az ólomból aranyat készítenek – ma azonban már tudjuk, hogy az ólom és az arany két eltérő kémiai elem, és a hagyományos módszerekkel egyik sem alakítható át a másikká. A részecskefizikában azonban semmi sem lehetetlen, és most sikerült dokumentálni, ahogy az ólomból arany lett.

A modern atomfizika szerint az ólom- és az aranyatom közti fő különbség az, hogy az arany atommagjában hárommal kevesebb proton található, mint az óloméban. Elméletileg tehát, ha egy ólomatommagból eltávolítanánk három protont, az ólomból arany jönne létre – a gyakorlatban azonban ez rendkívül bonyolult és energiaigényes folyamat.

Az ólomból arany lett, de sajnos ekkora tömböket nem tudunk egyelőre előállítani.
Fotó: GARDEL BERTRAND / HEMIS.FR / hemis.fr

Amikor a Svájcban működő Nagy Hadronütköztető (LHC) ALICE-kísérletében csaknem fénysebességgel ütköztettek ólomatomokat, hogy az Ősrobbanás utáni állapotokat tanulmányozzák, a kutatók véletlenül aranyat is előállítottak – igaz, csak nagyon kis mennyiségben, mindössze körülbelül 29 billiomod grammot.

Ólomból arany: hogyan lehet protont lopni az atommagból?

A protonok az atommagban találhatók, és pozitív töltésük miatt elektromos tér segítségével elvileg mozgatni lehet őket. Csakhogy van egy bökkenő: a magban lévő részecskéket (nukleonokat) erős kölcsönhatás tartja össze, amelyet csak nagyon nehezen lehet felszakítani. Az atommag megbontásához az elektromos térnek legalább egymilliószor erősebbnek kell lennie, mint amekkora egy villám létrehozásához szükséges. A kutatók ezt úgy oldották meg, hogy a Svájcban működő Nagy Hadronütköztetőben (LHC) fénysebesség közeli tempóra gyorsítottak fel ólommagokat, majd egymással karamboloztatták őket. Az így létrejövő óriási energia rövid időre kiszabadította a protonokat az ólom atommagjából.

Frontális ütközések helyett „majdnem balesetek”

Ha az atommagok frontálisan ütköznek, az erős kölcsönhatás hatására teljesen szétszakadnak. Sokkal gyakoribbak azonban az úgynevezett „kvázibalesetek”, amikor az atommagok nem karamboloznak, csak az elektromágneses erő révén hatnak egymásra. Ilyen esetben a köztük kialakuló, gyorsan változó elektromos tér rendkívül erős: megrezegteti az atommagokat, és egyes esetekben protonokat lök ki belőlük.

Ha pontosan három proton távozik egy ólomból, az így keletkezett mag már aranynak felel meg.

Protonszámlálás – így állapítják meg, hogy arany keletkezett

Honnan tudhatjuk, hogy az ólom valóban arannyá változott? Az ALICE-kísérletben nem közvetlenül arany atommagokat figyelnek meg, hanem a keletkezésükre utaló jeleket keresnek. Ehhez ún. kalorimétert használnak, amely képes megszámolni az ütközések során kiszakadt protonokat. Ezekből a protonveszteségekből következtetnek arra, milyen új elemek jöttek létre. Számítások szerint a nagy energiájú ólomnyalábok ütköztetése másodpercenként körülbelül 89 000 olyan átalakulást eredményez, amelynek során arany keletkezik. Emellett előfordul, hogy csak egy vagy két proton válik ki az atommagból: ilyen esetekben 

• tallium, 
• illetve higany jön létre.

Az arany keletkezése inkább bosszúság, mint öröm a részecskefizikában

Amikor egy ólomatom protont veszít, a mag szerkezete megváltozik, és emiatt letér az LHC részecskegyorsító vákuumcsövében kijelölt pályájáról. Ebben az esetben az atom néhány mikroszekundum alatt a berendezés falának ütközik, rontva a részecskenyaláb minőségét. 

A tudósok számára az ilyenkor keletkező arany tehát inkább zavaró tényező, semmint értékes felfedezés. 

A jelenség pontos megértése viszont elengedhetetlen a kísérleti eredmények helyes értelmezéséhez és a jövőbeli, még nagyobb teljesítményű gyorsítók tervezéséhez.