近日，發表于《物理評論期刊》的一篇論文中，ALICE合作項目公布了在歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)上對鉛轉化為金進行量化測量的研究成果，這一研究為相關物理領域帶來了新進展。

ALICE 探測器圖片(圖片來源：CERN)

將鉛轉化為金曾是中世紀煉金術士夢寐以求之事，即所謂的“金煉”探索。鉛為暗灰色且相對豐富，密度與黃金相近，而黃金因色澤美麗、稀有備受追捧，早期人們曾試圖通過化學方法實現兩者轉化，直至后來才明白鉛和金是不同化學元素，化學方法無法達成此目標。

20世紀核物理學興起后，人們發現重元素可通過放射性衰變自然轉化為其他元素，也可在實驗室通過中子或質子轟擊轉化為其他元素。此前雖有人工生產黃金的嘗試，但ALICE合作項目此次在LHC上，借助鉛原子核近距碰撞的新機制，對鉛轉化為金的過程進行了測量。

在LHC中，鉛原子核間極高能碰撞可產生夸克膠子等離子體，這是一種熾熱致密物質狀態，據信在大爆炸后約百萬分之一秒內充滿宇宙，形成如今我們所知的物質。不過，原子核間更頻繁的相互作用是錯開而非“接觸”，此時它們周圍的強電磁場會誘發光子與光子、光子與原子核間的相互作用，為探索開辟新途徑。

鉛原子核電磁場特別強，因其包含82個質子，每個質子攜帶一個基本電荷。且鉛原子核在LHC中運動速度極高(達光速的99.999993%)，使電磁場線被壓成與運動方向垂直的薄餅狀，產生短暫光子脈沖，通常會觸發電磁離解過程，即光子與原子核相互作用激發其內部結構振蕩，導致少量中子和質子噴出。要制造金(含79個質子的原子核)，需在LHC光束中從鉛原子核移除三個質子。

ALICE發言人Marco Van Leeuwen表示：“我們的探測器既能處理產生數千個粒子的正面碰撞，又能對一次只產生少量粒子的碰撞敏感，從而可研究罕見的電磁‘核嬗變’過程，令人印象深刻。”

ALICE團隊利用探測器的零度量熱器(ZDC)計算了光子與原子核相互作用數量，這些相互作用導致發射零個、一個、兩個和三個質子并伴隨至少一個中子，分別與鉛、鉈、汞和金的生成有關。盡管生成鉈或汞的頻率低于生成金，但結果顯示，目前LHC在ALICE碰撞點通過鉛 - 鉛碰撞生成金的最高速率約為每秒89000個原子核。金原子核以極高能量從碰撞中逸出，在下游各點撞擊LHC的光束管或準直器后立即碎裂成單個質子、中子和其他粒子，金的存在時間極短。

ALICE分析表明，在LHC第二次運行(2015 - 2018)期間，四項主要實驗共產生約860億個金原子核，按質量計算僅相當于29皮克(2.9×10?¹¹克)。由于LHC定期升級、亮度提升，第三次運行產生的黃金量幾乎是第二次運行的兩倍，但總量仍比制造一件珠寶所需量少數萬億倍。這意味著，盡管中世紀煉金術士的夢想在技術上已實現，但他們致富的希望再次破滅。

ALICE合作項目的Uliana Dmitrieva稱：“得益于ALICE ZDC的獨特功能，本次分析首次通過實驗系統地檢測和分析了LHC中金生產的特征。”

ALICE合作項目的John Jowett補充道：“研究結果還測試并改進了電磁解離的理論模型，這些模型除內在物理意義外，還用于理解和預測光束損失，而光束損失是限制LHC和未來對撞機性能的主要因素。”