Con người vào thời trung cổ từng say mê công nghệ luyện kim để biến chì thành vàng, nhưng trào lưu này nhanh chóng suy tàn. Những nhà giả kim chỉ đơn thuần là chưa thấy máy va chạm hạt, theo một nghiên cứu mới, các nhà khoa học phát hiện ra rằng trong thời gian vận hành từ 2015 đến 2018, máy va chạm lớn (LHC) đã tạo ra khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng khi va chạm chì ở gần tốc độ ánh sáng.
Mật độ chì tương tự như mật độ vàng, nhưng vàng hiếm hơn nhiều so với chì, do đó việc chuyển đổi chì thành kim loại quý vàng từng là giấc mơ điên cuồng của một nhóm giả kim thời trung cổ. Sau một thời gian, người ta hiểu rằng chì và vàng là hai nguyên tố hóa học khác nhau, không có phương pháp hóa học nào có thể biến chì thành vàng, và do đó giả kim học đã chìm sâu vào lịch sử.
Với sự bùng nổ của vật lý hạt nhân vào thế kỷ 20, người ta phát hiện rằng nguyên tố nặng có thể tự nhiên chuyển đổi thành các nguyên tố khác thông qua sự phân rã phóng xạ khi bị va chạm bởi các chùm neutron hoặc proton, điều này giúp hiểu các định luật cơ bản của tự nhiên và tìm kiếm các hạt mới, thúc đẩy sự tiến bộ trong vật lý.
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, chì và vàng chỉ cách nhau vài vị trí, vàng có 79 proton, chì có 82. Về bản chất, chỉ cần loại bỏ một số proton từ nguyên tử chì (cùng với một số neutron) là có thể có được nguyên tử vàng. Liệu máy va chạm hạt có thể làm được không? Thực tế, quá trình này không đơn giản, các proton và neutron được cấu thành từ nhiều quark và bị lực hạt nhân mạnh giữ chặt trong hạt nhân nguyên tử. Để tước đoạt proton từ hạt nhân cần một lượng năng lượng khổng lồ, nói ngắn gọn là cực kỳ tốn năng lượng; xét về chi phí và hiệu suất, để có vàng, khai thác từ mỏ sẽ nhanh hơn.
Mục đích xây dựng máy va chạm hạt không phải để luyện kim, nhưng một nghiên cứu gần đây đã phân tích dữ liệu từ máy va chạm lớn (LHC) trong giai đoạn 2015-2018, phát hiện ra rằng máy va chạm đã tạo ra khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng trong quá trình va chạm nhanh chóng vào nguyên tử chì.
▲ Thí nghiệm máy va chạm ion lớn LHC (ALICE).
Lĩnh vực điện từ phát ra từ hạt nhân chì đặc biệt mạnh, hơn nữa, khi hạt nhân chì di chuyển nhanh trong LHC, nó sẽ tạm thời tạo ra các xung photon, kích hoạt một quá trình gọi là phân ly điện từ. Các photon tương tác với hạt nhân gây ra sự dao động trong cấu trúc bên trong, dẫn đến sự phát tán một lượng nhỏ neutron và proton, qua đó có cơ hội tạo ra hạt nhân vàng, hạt nhân thallium (có 123 neutron và 81 proton), và hạt nhân thủy ngân (có 121 neutron và 80 proton).
Nhóm thí nghiệm LHC ALICE đã sử dụng bộ đo nhiệt ZDC để định lượng quá trình va chạm nhanh của hạt nhân chì, xác định rằng tần suất sản sinh hạt nhân vàng thấp hơn nhiều so với thallium hoặc thủy ngân, nhưng tỷ lệ tối đa đạt khoảng 89,000 hạt mỗi giây.
Tất nhiên, các hạt vàng xuất hiện trong quá trình phân rã của hạt nhân chì chỉ tồn tại trong khoảnh khắc ngắn, ngay sau đó chúng sẽ biến thành các proton, neutron hoặc các hạt khác, “giả kim” rốt cuộc chỉ tồn tại trong chớp mắt, không thể trở thành điều bình thường.
Bài báo mới được công bố trên tạp chí Physical Review C.
(Hình ảnh từ: Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu).