粒子加速器把鉛變黃金 煉金術不再是夢

從煉金術士到科學家的夢想，是將普通金屬煉成黃金，但均告失敗。直到最近由美國堪薩斯大學主導的國際團隊透過大型強子對撞機（LHC），成功將鉛瞬間變成黃金。雖然黃金存在的時間只有1秒，但已成現代煉金術重要里程碑。

這項突破性發現，被科學家視為設計更先進、更安全粒子加速器的關鍵一步。研究成果已發表於《物理評論》期刊。

過去，觀測機器很難完全偵測到粒子正面碰撞後產生的資料，原因是粒子正面碰撞後，更小的粒子會四處飛濺。另外，科學家對擦肩而過的「超外圍碰撞」現象深感興趣，因為這些粒子即使沒有直接接觸，只要距離夠近，也會產生相互作用。

為了更準確檢測這些資料，堪薩斯大學團隊與歐洲核子研究組織（CERN）旗下的大型離子對撞機實驗室（ALICE），共同開發出追蹤質子和離子之間「超外圍碰撞」技術。

接近光速鉛離子對撞變黃金

研究團隊指出，鉛原子核在LHC中接近光速（高達光速的99.999993%）移動時，會產生短暫的光子脈衝，並觸發「電磁解離」過程。在這過程中，光子與原子核相互作用激發內部結構振盪，導致少量中子和質子噴射出。

實驗中，研究團隊以接近光速發射鉛離子（包含82個質子），與另一個相同速度的鉛離子對撞。結果顯示，鉛離子內部的原子核被撞出3個質子後，會在極短的時間內變成黃金（包含79個質子），但存在時間為1秒。

黃金示意圖。（Ted Aljibe／Getty Images）

他們也發現，若鉛被撞出不同數量的質子，可能變成鉈、汞、鉑（白金）等其他元素。團隊甚至測試鉛與金的對撞，也得到相似結果。此外，鉛撞擊後生成鉈或汞的頻率，低於生成金的頻率。

然而，這些新原子核的壽命極短，容易衰變成其他金屬。研究團隊發現，這些對撞出來的物質，可能會撞到LHC的其他零件，觸發安全警報系統。

堪薩斯大學LHC與ALICE實驗團隊表示，黃金的誕生雖然讓大眾著迷，但他們計畫繼續研究超邊緣碰撞。

研究團隊使用的LHC，是一座橫跨法國和瑞士邊境、長達約27公里的地下粒子加速器。其中採用精密而靈敏的探測器「零度熱量計」（ZDC），用於檢測光子與原子核相互作用的數量。

光子與光子碰撞釋出質子

堪薩斯大學物理學教授、ALICE計畫負責人高木（Daniel Tapia Takaki）解釋，「當帶電離子加速到接近光速時，就會開始發光。一個離子發出的光可以拍攝另一個離子的照片。當光的能量足夠高時，它可以探測到另一個原子核的深處，就像一個高能量閃光燈。」

他接著說，「有時，兩個離子的光子會相互作用，我們把這稱之為光子與光子碰撞。這些事件非常『乾淨』，幾乎沒有其他物質產生。這與典型的碰撞形成了鮮明對比，因為典型的粒子碰撞會出現小粒子四處飛濺。」

他指出，「這種光的能量非常高，可以將質子從原子核中擊出。有時是1個，有時是2個、3個甚至4個質子。我們可以用探測器直接看到這些被擊出的質子。」

ALICE發言人萊文（Marco Van Leeuwen）表示，「我們的探測器不僅可以處理正面碰撞產生的數千個粒子，還能檢測少量粒子與粒子之間的相互作用。另外，我們能藉此研究電磁『核轉換』過程（化學元素轉化成另外一種元素，或同位素轉化為另一種同位素）。」

「這項研究結果也改進了電磁解離的理論模型。這些模型除了物理意義之外，還用於理解和預測光束損失。這些結果對未來設計新的粒子加速器很重要。」ALICE合作計畫的喬伊特（John Jowett）表示。◇