Plomo convertido en oro en un acelerador de partículas

En un artículo publicado en Physical Review C, la colaboración ALICE informa sobre mediciones que cuantifican la transmutación del plomo en oro en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

Transformar el plomo, un metal base, en el oro, un metal precioso, era el sueño de los alquimistas medievales. Esta antigua búsqueda, conocida como crisopea, pudo haber estado motivada por la observación de que el plomo, de color gris opaco y relativamente abundante, tiene una densidad similar a la del oro, codiciado desde hace mucho tiempo por su hermoso color y rareza. Mucho más tarde se hizo evidente que el plomo y el oro son elementos químicos distintos y que los métodos químicos son incapaces de transmutarlos, informa el CERN en un comunicado.

Con los albores de la física nuclear en el siglo XX, se descubrió que los elementos pesados podían transformarse en otros, ya sea de forma natural, mediante desintegración radiactiva, o en el laboratorio, mediante un bombardeo de neutrones o protones. Aunque el oro ya se había producido artificialmente de esta manera, la colaboración ALICE ha medido ahora la transmutación del plomo en oro mediante un nuevo mecanismo que implica colisiones casi accidentales entre núcleos de plomo en el LHC.

Las colisiones de energía extremadamente alta entre núcleos de plomo en el LHC pueden crear plasma de quarks y gluones, un estado de materia caliente y denso que se cree que llenó el universo alrededor de una millonésima de segundo después del Big Bang, dando lugar a la materia que conocemos actualmente. Sin embargo, en las interacciones mucho más frecuentes, donde los núcleos se rozan sin tocarse, los intensos campos electromagnéticos que los rodean pueden inducir interacciones fotón-fotón y fotón-núcleo que abren nuevas vías de exploración.

El campo electromagnético que emana de un núcleo de plomo es particularmente intenso porque el núcleo contiene 82 protones, cada uno con una carga elemental. Además, la altísima velocidad a la que viajan los núcleos de plomo en el LHC (correspondiente al 99,999993 % de la velocidad de la luz) provoca que las líneas del campo electromagnético se compriman formando una fina capa, transversal a la dirección del movimiento, lo que produce un pulso de fotones de corta duración.

A menudo, esto desencadena un proceso denominado disociación electromagnética, mediante el cual un fotón que interactúa con un núcleo puede provocar oscilaciones en su estructura interna, lo que resulta en la expulsión de una pequeña cantidad de neutrones y protones. Para crear oro (un núcleo que contiene 79 protones), es necesario extraer tres protones de un núcleo de plomo en los haces del LHC.

"Es impresionante ver que nuestros detectores pueden gestionar colisiones frontales que producen miles de partículas, a la vez que son sensibles a colisiones en las que solo se producen unas pocas partículas a la vez, lo que permite el estudio de procesos poco comunes de 'transmutación nuclear' electromagnética", afirma en un comunicado Marco Van Leeuwen, portavoz de ALICE.

El equipo de ALICE utilizó los calorímetros de grado cero (ZDC) del detector para contabilizar el número de interacciones fotón-núcleo que resultaron en la emisión de cero, uno, dos y tres protones acompañados de al menos un neutrón, asociados con la producción de plomo, talio, mercurio y oro, respectivamente.

Si bien es menos frecuente que la creación de talio o mercurio, los resultados muestran que el LHC actualmente produce oro a una velocidad máxima de aproximadamente 89.000 núcleos por segundo a partir de colisiones de plomo-plomo en el punto de colisión de ALICE. Los núcleos de oro emergen de la colisión con muy alta energía e inciden en el haz del LHC o en los colimadores en varios puntos aguas abajo, donde se fragmentan inmediatamente en protones, neutrones y otras partículas individuales. El oro existe durante tan solo una pequeña fracción de segundo.

UNA CANTIDAD ÍNFIMA

El análisis de ALICE muestra que, durante la segunda ejecución del LHC (2015-2018), se crearon alrededor de 86.000 millones de núcleos de oro en los cuatro experimentos principales. En términos de masa, esto corresponde a tan solo 29 picogramos (un picogramo es la billonésima parte de un gramo). Dado que la luminosidad del LHC aumenta continuamente gracias a las actualizaciones periódicas de las máquinas, la tercera ejecución ha producido casi el doble de oro que la segunda, pero el total sigue siendo billones de veces menor de lo que se necesitaría para fabricar una pieza de joyería.

Si bien el sueño de los alquimistas medievales se ha hecho realidad, sus esperanzas de riqueza se han visto frustradas una vez más.

"Gracias a las capacidades únicas de los ZDC de ALICE, el presente análisis es el primero en detectar y analizar sistemáticamente la firma de la producción de oro en el LHC de forma experimental", afirma Uliana Dmitrieva, de la colaboración ALICE.

"Los resultados también prueban y mejoran los modelos teóricos de disociación electromagnética que, más allá de su interés físico intrínseco, se utilizan para comprender y predecir las pérdidas de haz que constituyen un límite importante en el rendimiento del LHC y los futuros colisionadores", añade John Jowett, también de la colaboración ALICE.