"الخيمياء" في العمل حيث يكتشف سيرن تحول ذرات الرصاص إلى ذهب
في إنجازٍ من شأنه أن يُثير حسد خيميائيي العصور الوسطى، نجح علماء مصادم الهدرونات الكبير في أوروبا في تحويل الرصاص إلى ذهب، مُنتجين 89,000 ذرة في الثانية. مصادم الهدرونات الكبير (LHC) هو مُسرّع جسيمات عملاق يُهشم الذرات معًا بسرعات فائقة. وقد وجد العلماء هناك طريقةً لإخراج ثلاثة جسيمات صغيرة تُسمى البروتونات من ذرات الرصاص، مُحوّلين إياها إلى ذرات ذهب. استخدم الفريق الذي يقف وراء هذا الاكتشاف، والمُسمى بتعاون أليس (ALICE)، طريقةً فريدةً لإنتاج الذهب. فبدلًا من تصادم ذرات الرصاص وجهًا لوجه، نظروا إلى ما يحدث عندما تُلامس الذرات بعضها البعض بالكاد. وأوضح الباحثون أنه عند حدوث ذلك، يُمكن للمجالات الكهرومغناطيسية القوية المحيطة بالذرات أن تُؤدي إلى تحولها إلى عناصر مختلفة.
قراءة مقترحة
تحويل الرصاص إلى ذهب: إنجاز كيميائي حديث في سيرن
في دراسة نُشرت حديثًا في مجلة "Physical Review C"، لاحظ علماء من تجربة "أليس" التابعة لسيرن شيئًا استثنائيًا: تحوّل الرصاص إلى ذهب داخل مصادم الهدرونات الكبير (LHC). لطالما حلم الكيميائيون بتحويل الرصاص إلى ذهب. يُعرف هذا السعي القديم باسم "الكريسوبيا"، وقد استند إلى فكرة أن كلا المعدنين ثقيلان ويشتركان في خصائص متشابهة. بالطبع، نعلم الآن أن الرصاص والذهب عنصران مختلفان تمامًا، ولا يمكن لأي عملية كيميائية تحويل أحدهما إلى الآخر.
نوع جديد من الكيمياء - مدعوم بالفيزياء
في القرن العشرين، كشفت الفيزياء النووية أن الذرات يمكن أن تتحول من عنصر إلى آخر. يمكن أن يحدث هذا بشكل طبيعي من خلال الاضمحلال الإشعاعي أو أن يتم تحفيزه في المختبرات باستخدام جسيمات عالية الطاقة مثل النيوترونات أو البروتونات.
كيف تغيّرت طريقة صنع الذهب نوويًا
صُنع الذهب بوسائل نووية معروفة تعتمد على قذف النوى بجسيمات عالية الطاقة داخل المختبرات.
قاس فريق أليس مسارًا جديدًا يعتمد على مرور نواتي رصاص بسرعة هائلة على مسافة قريبة بما يكفي لتوليد تفاعلات كهرومغناطيسية تغيّر هوية النواة.
صُنع الذهب بهذه الطريقة سابقًا، لكن الآن، قام فريق أليس بقياس طريقة جديدة كليًا لتغيير العناصر بطريقة سحرية - هذه المرة باستخدام تصادمات قريبة بين ذرات الرصاص عالية السرعة. عندما تتسابق نواتا رصاص عبر مصادم الهدرونات الكبير بسرعة تقارب سرعة الضوء، قد تصطدمان ببعضهما البعض. بدلًا من الاصطدام المباشر، تقتربان بما يكفي لإثارة قوى كهرومغناطيسية شديدة. يمكن لهذه التفاعلات أن تُولّد دفعات من الطاقة تُغيّر هوية النوى الذرية، بما في ذلك تحويل الرصاص إلى ذهب.
انفجارات الفوتونات والانزياحات النووية
يعتمد هذا التحول على شدة المجال الكهرومغناطيسي وسرعة نوى الرصاص وآلية التفكك التي تنزع بروتونات من النواة.
مراحل التحول من الرصاص إلى الذهب
مجال شديد حول نواة الرصاص
نواة الرصاص تحمل 82 بروتونًا، ما يجعل مجالها الكهرومغناطيسي قويًا بصورة خاصة.
السرعة تضغط خطوط المجال
عند 99.999993% من سرعة الضوء، تنضغط خطوط المجال إلى شكل رقيق وتنتج نبضة قصيرة من الفوتونات.
تفكك كهرومغناطيسي للنواة
يتفاعل فوتون مع النواة ويثير بنيتها الداخلية، ما يؤدي إلى طرد أعداد صغيرة من النيوترونات والبروتونات.
إزالة ثلاثة بروتونات
حين تُنزع ثلاثة بروتونات من نواة الرصاص، تتحول النواة إلى ذهب يحتوي على 79 بروتونًا.
يتميز المجال الكهرومغناطيسي المنبعث من نواة الرصاص بقوة خاصة لاحتواء النواة على 82 بروتونًا، يحمل كل منها شحنة أولية واحدة. علاوة على ذلك، فإن السرعة العالية جدًا التي تتحرك بها نوى الرصاص في مصادم الهادرونات الكبير (التي تعادل 99.999993% من سرعة الضوء) تتسبب في سحق خطوط المجال الكهرومغناطيسي إلى شكل فطيرة رقيقة، عرضية لاتجاه الحركة، مما ينتج عنه نبضة قصيرة العمر من الفوتونات. غالبًا ما يُطلق هذا عملية تُسمى التفكك الكهرومغناطيسي، حيث يمكن لفوتون متفاعل مع النواة أن يُثير تذبذبات في بنيتها الداخلية، مما يؤدي إلى طرد أعداد صغيرة من النيوترونات والبروتونات. لإنتاج الذهب (نواة تحتوي على 79 بروتونًا)، يجب إزالة ثلاثة بروتونات من نواة الرصاص في حزم مصادم الهادرونات الكبير. يقول ماركو فان ليوين، المتحدث باسم مشروع ALICE: "من المثير للإعجاب أن نرى أن أجهزة الكشف لدينا قادرة على التعامل مع التصادمات المباشرة التي تُنتج آلاف الجسيمات، مع حساسيتها العالية للتصادمات التي لا ينتج فيها سوى عدد قليل من الجسيمات في كل مرة، مما يُتيح دراسة عمليات "التحويل النووي" الكهرومغناطيسي".
عد ذرات الذهب في تصادم الجسيمات
نتائج انبعاث البروتونات والعناصر الناتجة
| عدد البروتونات المنبعثة | العنصر الناتج | ملاحظة |
|---|---|---|
| 0 | الرصاص | يبقى العنصر الأصلي كما هو |
| 1 | الثاليوم | أكثر شيوعًا من إنتاج الذهب |
| 2 | الزئبق | ناتج وسيط في هذه التفاعلات |
| 3 | الذهب | المسار المطلوب لإنتاج نوى الذهب |
استخدم فريق ALICE مسعرات درجة الصفر (ZDC) الخاصة بالكاشف لحساب عدد تفاعلات الفوتون والنواة التي أدت إلى انبعاث صفر، وواحد، واثنين، وثلاثة بروتونات مصحوبة بنيوترون واحد على الأقل، وهي تفاعلات مرتبطة بإنتاج الرصاص، والثاليوم، والزئبق، والذهب، على التوالي. ورغم أن هذه التفاعلات أقل تواترًا من إنتاج الثاليوم أو الزئبق، إلا أن النتائج تُظهر أن مصادم الهدرونات الكبير (LHC) يُنتج حاليًا الذهب بمعدل أقصى يبلغ حوالي 89,000 نواة في الثانية من تصادمات الرصاص عند نقطة تصادم ALICE. تنبثق نوى الذهب من الاصطدام بطاقة عالية جدًا، وتصطدم بأنبوب حزمة مصادم الهدرونات الكبير (LHC) أو المصادمات في نقاط مختلفة أسفله، حيث تتفتت فورًا إلى بروتونات ونيوترونات وجسيمات أخرى. ويبقى الذهب موجودًا لجزء صغير جدًا من الثانية.
كنز زائل: مليار ذرة ذهب، لكن لا مجوهرات
29 بيكوغرامًا فقط
هذه هي الكتلة الإجمالية التقريبية لما أُنتج من الذهب خلال الجولة الثانية، وهي أقل بتريليونات المرات من الكمية اللازمة لصنع قطعة مجوهرات.
يُظهر تحليل أليس أنه خلال الجولة الثانية من مصادم الهدرونات الكبير (2015-2018)، تم إنتاج حوالي 86 مليار نواة ذهب في التجارب الأربع الرئيسية. من حيث الكتلة، يُعادل هذا 29 بيكوغرامًا فقط (2.9 × 10-11 غرام). ونظرًا للتزايد المستمر في سطوع مصادم الهدرونات الكبير بفضل التحديثات الدورية للآلات، فقد أنتجت الجولة الثالثة ضعف كمية الذهب التي أنتجتها الجولة الثانية تقريبًا، لكن الكمية الإجمالية لا تزال أقل بتريليونات المرات مما يتطلبه صنع قطعة مجوهرات. وبينما تحقق حلم الكيميائيين في العصور الوسطى تقنيًا، تبددت آمالهم في الثراء مرة أخرى.
هل سيحل العلم محل تعدين الذهب التقليدي؟
في حين تُحدث الأتمتة ثورة في العديد من الصناعات، يبقى تعدين الذهب بمنأى عن منافسة مسرعات الجسيمات. تشبه عملية مصادم الهدرونات الكبير محاولة ملء حوض سباحة بقطارة - ممكنة نظريًا لكنها غير منطقية عمليًا. يقول الفيزيائي جون جويت: "هذا علمٌ بحتٌ يسعى إلى المعرفة. المعيار الذهبي في الفيزياء هو الفهم، وليس إنتاج الذهب فعليًا".
ما وراء الذهب: تحسين فيزياء المصادمات
بفضل القدرات الفريدة لمسعرات الدرجة الصفرية (ZDC) التابعة لـ ALICE، يُعدّ هذا التحليل أول تحليل يكشف ويحلل بشكل منهجي بصمة إنتاج الذهب في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) تجريبيًا، وفقًا لما ذكرته أوليانا دميتريفا من مشروع ALICE. ويضيف جون جويت، من مشروع ALICE أيضًا: "تختبر النتائج أيضًا وتُحسّن النماذج النظرية للتفكك الكهرومغناطيسي، والتي تُستخدم، بالإضافة إلى فائدتها الفيزيائية الجوهرية، لفهم خسائر الحزم والتنبؤ بها، والتي تُشكّل عائقًا رئيسيًا أمام أداء مصادم الهادرونات الكبير (LHC) والمصادمات المستقبلية".