De oude droom van alchemisten wordt werkelijkheid
Eeuwenlang droomden alchemisten ervan om gewoon lood om te toveren tot glinsterend goud. Die fantasie is nu realiteit geworden, maar op een manier die geen enkele juwelier kan gebruiken. In een baanbrekend experiment in de Large Hadron Collider hebben onderzoekers voor het eerst gemeten hoe loodkernen bij bijna lichtsnelheid botsen en transformeren tot goud. Het resultaat? Een microscopisch kleine hoeveelheid van dit edele metaal dat slechts een subatomair fractie van een seconde bestaat.
De cijfers zijn tegelijkertijd verbluffend en teleurstellend. Tussen 2015 en 2018 produceerde de tweede testfase ongeveer 86 miljard goudkernen. Omgerekend naar begrijpelijke maten komt dit neer op ongeveer 29 picogram – dat zijn 29 biljoenste delen van een gram. Deze hoeveelheid is zelfs onzichtbaar onder een microscoop.
Hoe lood precies verandert in het edelmetaal
In het periodiek systeem is het verschil tussen lood en goud eigenlijk heel eenvoudig. Een loodkern bevat 82 protonen, terwijl goud er 79 heeft. Verliest een loodkern drie protonen? Dan ontstaat goud. Fysicus Ulrich Egede vat het bondig samen: theoretisch hoef je alleen deze drie protonen te verwijderen. Praktisch gezien is dat echter “allesbehalve simpel“.
In plaats van magie gebruiken wetenschappers extreme elektrische velden om dit te bereiken. Bundels loodkernen worden versneld tot 99,999993% van de lichtsnelheid. Bij zo’n onvoorstelbare snelheid wordt het elektromagnetische veld van elke kern samengeperst tot een intense fotonenpuls.
Ultraperifere botsingen creëren gouden momenten
Wanneer twee kernen elkaar op een haar na passeren zonder directe frontale botsing, kunnen deze zogenaamde ultraperifere ontmoetingen neutronen en protonen uit de getroffen kern slaan. Dit fenomeen heet elektromagnetische dissociatie.
Meestal vliegen alleen neutronen weg, maar bij hogere fotonenergieën kunnen ook protonen losraken. De nieuwe onderzoeken hebben voor het eerst gemeten hoe vaak lood nul, één, twee of drie protonen verliest samen met neutronen. Met andere woorden: hoe vaak blijft de kern lood, en hoe vaak transformeert deze tot thallium, kwik of goud?
Precisie-instrumenten onthullen verrassende waarheid
Speciale detectoren, zero-degree calorimeters genoemd, bevinden zich meer dan 100 meter van het botsingspunt. Deze apparaten tellen de neutronen en protonen die vrijwel in een rechte lijn wegvliegen. Op basis van de energiegegevens reconstrueren wetenschappers het aantal uitgestoten deeltjes per gebeurtenis en berekenen ze de waarschijnlijkheid van elk type transmutatie.
Theoretische modellen botsen met de realiteit
Het onderzoek vergelijkt deze gegevens met één van de theoretische referentiemodellen. En daar duiken onverwachte verschillen op. Het model beschrijft nauwkeurig de gevallen waarin geen protonen vrijkomen en de kanalen waarbij drie protonen verdwijnen – de echte goudvorming.
Toch onderschat het model gebeurtenissen met één of twee protonen met ongeveer 17-25%. Nog opmerkelijker: het overschat met twee tot drie keer de kanalen waarbij een proton samen met één, twee of drie neutronen verschijnt. Fysici concluderen dat het model fijner moet worden afgesteld op hoe het protonuitstoot en de tussenliggende reactiefase behandelt.
Waarom dit belangrijk is buiten de dromen van rijkdom
Vullen we hiermee binnenkort kluizen met goud? Absoluut niet. De betekenis ligt elders. Ten eerste helpt dit onderzoek ons fotodissociatiereacties beter te begrijpen – processen waarbij hoogenergetisch licht zware kernen verandert.
Dezelfde fysica wordt toegepast bij het ontwerpen van de toekomstige elektron-ion collider. Daar wordt het cruciaal om interessante signalen te onderscheiden van achtergrondruis die ontstaat door protonen en neutronen die uit doelwitten vrijkomen.
Onbedoelde transmutaties bedreigen de versneller zelf
Deze “toevallige” transformatiereacties zijn niet onschuldig voor de versneller. Telkens wanneer een loodkern verandert in thallium, kwik of goud, verlaat deze de voorgeschreven baan. De kern botst dan tegen de buiswanden en draagt bij aan stralenverlies. Dit beperkt de operationele tijd van de bundels en de beschikbare intensiteit voor onderzoekers.
Uiteindelijk gaat deze hightech alchemie meer over efficiëntie en veiligheid dan over fortuin. Door precies te weten hoeveel protonen verloren gaan, onder welke omstandigheden en met welke waarschijnlijkheid, kunnen teams de collimatoren beter afstellen. Ze kunnen verbeteringen plannen en elke operationele uur maximaal benutten.
Het is een perfect voorbeeld van hoe zelfs in gigantische faciliteiten – waar elektriciteit en middelen in astronomische bedragen worden gemeten – de details ertoe doen. Hier tellen zelfs picogrammen.
