Απρόσμενα αποτελέσματα σε πειράματα στον επιταχυντή αδρονίων.
Οι μεσαιωνικοί αλχημιστές ονειρεύονταν να μετατρέψουν το μόλυβδο σε χρυσό. Αν αναζητούσαν απαντήσεις για τη γέννηση του Σύμπαντος και είχαν στη διάθεση τους έναν επιταχυντή μπορεί να κατάφερναν…
Σήμερα γνωρίζουμε ότι ο μόλυβδος και ο χρυσός είναι διαφορετικά χημικά στοιχεία και ότι καμία χημική διεργασία δεν μπορεί να μετατρέψει το ένα στο άλλο. Ωστόσο, η σύγχρονη γνώση μας δείχνει ποια είναι η βασική διαφορά ανάμεσα σε ένα άτομο μολύβδου και ένα άτομο χρυσού: το άτομο του μολύβδου περιέχει ακριβώς τρία περισσότερα πρωτόνια. Όμως μπορούμε άραγε να δημιουργήσουμε ένα άτομο χρυσού απλώς αφαιρώντας τρία πρωτόνια από ένα άτομο μολύβδου; Όπως αποδεικνύεται, μπορούμε. Αλλά δεν είναι καθόλου εύκολο.
Φυσικοί που εργάζονται στο πείραμα ALICE στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στοn Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας (CERN) πραγματοποιούν συγκρούσεις άτομων μολύβδου μεταξύ τους σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες προσπαθώντας να μιμηθούν την κατάσταση του Σύμπαντος αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το μυστηριώδες φαινόμενο από το οποίο προέκυψε το Σύμπαν.
Όπως διαπιστώθηκε οι συγκρούσεις παρήγαγαν παρεμπιπτόντως μικροσκοπικές ποσότητες χρυσού. Πιο συγκεκριμένα παρήχθησαν συνολικά ποσότητες χρυσού περίπου 29 τρισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου.
Η απώθηση
Τα πρωτόνια βρίσκονται στον πυρήνα ενός ατόμου. Πώς μπορούν να αφαιρεθούν; Τα πρωτόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο, πράγμα που σημαίνει ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να τα τραβήξει ή να τα απωθήσει. Η τοποθέτηση ενός ατομικού πυρήνα μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε θεωρητικά να το επιτύχει.
Όμως οι πυρήνες συγκρατούνται από μια εξαιρετικά ισχυρή δύναμη πολύ μικρής εμβέλειας, γνωστή ως ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται ένα εξαιρετικά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο για να αποσπαστούν πρωτόνια περίπου ένα εκατομμύριο φορές ισχυρότερο από τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούν τους κεραυνούς στην ατμόσφαιρα.
Ο τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα τέτοιο πεδίο ήταν να εκτοξεύσουν δέσμες πυρήνων μολύβδου τον έναν προς τον άλλον σε απίστευτα υψηλές ταχύτητες, σχεδόν ίσες με την ταχύτητα του φωτός. Όταν οι πυρήνες μολύβδου συγκρούονται κατά μέτωπο η ισχυρή πυρηνική δύναμη κυριαρχεί και οι πυρήνες καταστρέφονται πλήρως. Πιο συχνά όμως οι πυρήνες απλώς περνούν πολύ κοντά ο ένας από τον άλλον και αλληλεπιδρούν μόνο μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.
Η ένταση ενός ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται πολύ γρήγορα όσο απομακρύνεσαι από ένα αντικείμενο με ηλεκτρικό φορτίο, όπως ένα πρωτόνιο. Σε πολύ μικρές αποστάσεις όμως ακόμη και ένα μικρό φορτίο μπορεί να δημιουργήσει ένα εξαιρετικά ισχυρό πεδίο.
Έτσι όταν ένας πυρήνας μολύβδου περνά ξυστά από έναν άλλο το ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσά τους γίνεται τεράστιο. Το ταχέως μεταβαλλόμενο αυτό πεδίο προκαλεί δονήσεις στους πυρήνες και περιστασιακά τους κάνει να εκτοξεύουν πρωτόνια. Αν ένας πυρήνας χάσει ακριβώς τρία πρωτόνια, τότε ο μόλυβδος έχει μετατραπεί σε χρυσό.
Πώς όμως ξέρουμε ότι πράγματι δημιουργήθηκε χρυσός;
Στο πείραμα ALICE χρησιμοποιούνται ειδικοί ανιχνευτές, οι λεγόμενοι θερμιδομετρητές μηδενικής γωνίας, για να μετρούν τα πρωτόνια που αποσπώνται από τους πυρήνες μολύβδου. Οι ίδιοι οι πυρήνες χρυσού δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, οπότε η ύπαρξή τους επιβεβαιώνεται μόνο έμμεσα.
Οι επιστήμονες του ALICE υπολόγισαν ότι, όσο συγκρούουν δέσμες πυρήνων μολύβδου παράγονται περίπου 89,000 πυρήνες χρυσού ανά δευτερόλεπτο. Παρατήρησαν επίσης την παραγωγή και άλλων στοιχείων, όπως θάλλιο, που προκύπτει όταν αφαιρεθεί ένα πρωτόνιο από τον μόλυβδο, καθώς και υδράργυρο, όταν αφαιρεθούν δύο πρωτόνια.
Μόλις ένας πυρήνας μολύβδου μετασχηματιστεί χάνοντας πρωτόνια δεν παραμένει πλέον στην ιδανική τροχιά που τον κρατά να κυκλοφορεί μέσα στον σωλήνα κενού του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Μέσα σε μικροδευτερόλεπτα συγκρούεται με τα τοιχώματα.
Αυτό το φαινόμενο μειώνει σταδιακά την ένταση της δέσμης. Έτσι, για τους επιστήμονες, η παραγωγή χρυσού στον επιταχυντή είναι περισσότερο ενόχληση παρά ευλογία. Παρόλα αυτά, η κατανόηση αυτής της τυχαίας «αλχημείας» είναι απαραίτητη για την ερμηνεία των πειραμάτων και για τον σχεδιασμό ακόμη μεγαλύτερων πειραμάτων στο μέλλον.
