铅变成了金，但只存在了不到一秒

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  炼金术的现代回响  


自古以来，黄金就因其迷人的色泽和稀有性而备受珍视。在中世纪，炼金术师更是梦想着将普通金属铅（Pb）转化为贵重金属金（Au）。这个追求可能源于人们发现铅和黄金密度接近。


然而，直到近现代科学家才认识到：铅和金是两种完全不同的化学元素，无法通过化学方法互相转化。


20世纪，核物理学的发展揭示了某些重元素可以通过放射性衰变自然转变为其他元素，或在实验室中经由中子或质子的轰击实现人工嬗变（transmutation）。事实上，已经有研究在实验室中通过这种方式成功制造出了微量的黄金。


如今，这种不再神秘的转变也发生在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中。在一项发表于《物理评论C》的研究中，CERN的大型离子对撞机实验（ALICE）合作组报告了通过一种全新的机制——铅核之间的“近距离擦身而过”——实现并量化了铅向金的转变。

欧洲核子研究中心（CERN）的大型离子对撞机实验（ALICE）。（图/CERN）

  擦身而过的奇迹  


在LHC中，铅核之间的高能碰撞可以产生一种名为夸克-胶子等离子体（QGP）的特殊物质状态，这种物态被认为曾在大爆炸后的微秒之内充满了宇宙，是现代物质的“前身”。然而，在更多情况下，两个铅核并不会发生正面碰撞，而是以极小的间距擦身而过。


在这种“近距离擦身而过”相互作用中，铅核周围的强电磁场会诱发光子-光子和光子-核相互作用。铅核拥有82个质子，每个质子携带一个基本电荷，因此其电磁场非常强大。当铅核以接近光速（约为光速的99.999993%）在LHC中运行时，其电磁场线会被挤压成“薄煎饼”状，横向传播，形成极短暂的光子脉冲。


通常，这些脉冲可触发一个名为“电磁离解”的过程，即光子与原子核相互作用，激发原子核内部结构发生振荡，使其发射出少量中子和质子。若要将铅（82个质子）转化为金（79个质子），就需要从铅核中移除3个质子。

LHC中两个铅（

²⁰⁸

Pb）离子束相互靠近但未发生碰撞。在电磁离解过程中，与原子核相互作用的光子可以激发原子核内部结构的振荡，并导致少量中子（2个）和质子（3个）的

发射，从而将铅转变为金

（

²⁰³Au

）。（图 / CERN）

ALICE实验的独特之处在于，其探测器不仅能处理一次产生数千粒子的剧烈碰撞，也能精确捕捉仅产生少量粒子的罕见事件。这一能力使研究人员能从大量的碰撞碎片中筛选出“核嬗变”的实例。


研究团队利用零度量热计来统计光子-核相互作用引发的质子发射事件。根据发射出的质子数量（0、1、2、3）和伴随的中子，可以分别判断铅、铊、汞和金元素的生成。尽管金的生成概率低于铊和汞，但数据显示，在ALICE探测点，铅-铅碰撞每秒可产生高达89,000个金原子核。


这些金核以极高能量离开碰撞点，随后在下游撞击LHC的束流管或准直器，并在那里迅速分裂为单个质子、中子及其他粒子。这些金原子核的存在时间不足一秒。


根据ALICE合作组的测算，在LHC第二轮运行期间（2015–2018年），四个主要实验共产生了约860亿个金原子核，质量约为29皮克（2.9 × 10⁻¹¹ 克）。而在第三轮实验中，随着加速器亮度提升，金的产生量接近第二轮的两倍。但即便如此，与制造一件金饰所需的黄金量相比，依然微不足道。


换言之，虽然炼金术士的梦想在技术上得以实现，但他们的致富幻想再一次破灭了。




  从炼金术到束流控制  


每当铅束在LHC中碰撞时，金都会短暂地产生。但ALICE是唯一一个能够用探测器观测这一过程的实验。研究人员表示，正是因为ALICE的零度量热计具有独特能力，我们才能够首次系统地探测并分析LHC中产生金的实验信号。


这一发现不仅验证了电磁离解的理论模型，也推动了对LHC和未来对撞机中“束流损耗”机制的理解，而束流损耗正是限制加速器性能的关键因素之一。

#参考来源：

https://home.cern/news/news/physics/alice-detects-conversion-lead-gold-lhc

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01484-3

https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.111.054906

#图片来源：

封面图&首图：Hans / Pixabay