EP.271 真鍊金術登場：LHC揭示超周邊碰撞如何讓鉛變金！



真‧鋼之鍊金術師來啦！



「把低賤的鉛變成高貴的金」，是古代鍊金術師——包括偉大的牛頓在內——夢寐以求的目標。



CERN（歐洲核子研究組織）利用大型強子對撞機（LHC）做出來了！



今天講的這個實驗，是用安裝在 LHC 上的一套叫做「ALICE」（A Large Ion Collider Experiment，「一個大型離子對撞實驗」……一聽又是為了湊縮寫取的名字）的裝置所完成的。



其實這不是第一次「點鉛成金」的研究，那為什麼重要？



是能大量生產嗎？



根據研究者的估算，在 LHC 的 Run 2 時期（2015-2018年），所有實驗加起來總共大約產生了860億個金原子核。



860 億聽起來很多欸！



但換算成質量，大約只有29皮克（picogram），也就是一兆分之 29 克，今天台灣銀行牌告黃金價格為每公克3155元，所以產出黃金約值台幣一億分之九（9/100,000,000）元。



如果要打一個一錢重（3.75公克）的金戒指，需要這個數量的 1300 倍！



所以，高能物理學家想靠這個發財，恐怕是不可能的。



其實這個研究的重要性在於，這是科學家第一次能非常精確地測量到鉛原子核在高能碰撞中變成金原子核的機率。



也就是說，而是我們能觀測到這個轉變過程中，原子核之間的互動許多細節，可以來驗證並且修正核物理的模型。



ALICE 原本主要的任務其實是要研究宇宙大爆炸初期產生的「夸克膠子電漿」，但它的設計碰巧對另一種現象也特別敏感，叫做「超周邊碰撞」（ultraperipheral collision）。



跟我們平常聽到的粒子對撞比起來，這種「超周邊碰撞」聽起來是不是很厲害的樣子？



其實並不是，超周邊碰撞是指原子核彼此靠近的程度比直接對撞遠，可以說是一種「擦邊球」，這很容易理解，因為鉛的原子序是82，金是79，稍微擦撞一下把三個質子撞掉就行，不見得需要用傳統的猛烈正面對撞。



兩束鉛原子核在 LHC 裡以光速的99.99993% 的高速進行前述的「擦撞」，會有什麼反應呢？



接近的鉛原子核帶了82個正電荷，周圍會產生極強的電磁場，可以視為是一束高能量的「虛擬光子」脈衝。



正是這些虛擬光子掃過另一個鉛原子核束上，引發了「電磁解離」（electromagnetic dissociation, EMD）的現象。



也就是強烈的電磁場把原子核內部的結構稍微「震散」，結果就會導致有一些「原子核的屑屑」，也就是質子跟中子被敲出去。



如果剛好敲掉三個質子，那麼這個鉛核就剛好變成了金原子核。



ALICE搭載的「零度量熱計」（zero-degree calorimeters, ZDCs），這裡的零度指的是偏折角度為零而不是溫度，因為用這種方式敲出去的質子幾乎都是沿著本來原子核束運動的直線上，所以偏折為零度，ZDCs可以計算被敲出來的質子數，並且推算出不同質子數對應的「散射截面積」（與事件發生的機率相關）。



研究團隊將這些實驗數據得到的散射截面積，與RELDIS模型（RElativistic Light ion DISsociation model）計算的結果比較，發現對於敲出0個質子（只打出中子，鉛還是鉛）跟3個質子（鉛變成金）的事件而言，模型與實驗相當吻合，但是模型低估了敲出1顆與2顆質子（變成鉈跟汞）的散射截面積。



除此之外，他們還用了一個叫 ZEM 的偵測器，專門用來排除那些真正發生直接碰撞（強子碰撞）的事件，確保分析到的都是純粹由電磁作用造成的現象。



透過這個實驗，科學家第一次得到了精確的測量數據，能夠去驗證並且修正現有的電磁解離理論模型。



除此之外，這個研究對加速器的「健康」很有用。



當這些鉛原子核變成金、汞、鉈等等不同元素之後，它們的質子數改變，電荷改變了，跑的軌道也會跟著改變，可能就會偏離原來的路徑，撞到加速器管壁上，造成粒子數流失。



這種損失會影響 LHC 或未來類似加速器的性能，所以能夠預測這些不同產物發生的機率，有助於工程師精確預測粒子損失，並且改善未來加速器的設計和效率。



還有，宇宙中有比LHC對撞更極端的環境，例如中子星或黑洞附近，是否也正在發生類似的「宇宙煉金術」呢？



也是個很值得繼續探索的問題。



總之這次的「真‧鍊金術」雖然無法發大財，不過卻能讓我們更瞭解原子核的奧秘。



這個研究，發表於2025/05/07的「Physical Review C」。



繼續等下一個可以真的發大財的實驗ing……



超中二物理宅雜記



話都給我說就好 其之519



＃煉金 ＃強子對撞機 ＃LHC ＃ALICE ＃夸克膠子電漿 ＃超周邊碰撞 ＃虛擬光子 ＃電磁解離 ＃零度量熱計 ＃煉金術

--

Hosting provided by SoundOn