刚刚,物理学家实现了「点铅成金」!0.000001秒

刚刚,物理学家实现了「点铅成金」!0.000001秒

编辑:犀牛 好困

【导读】欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)刚刚实现了一项令人震惊的壮举:将铅转化为黄金!这一「点石成金」的过程虽然仅持续约一微秒,且成本高昂,却让17世纪炼金术士的梦想在现代物理学中成真。

就在刚刚,物理学家们将十七世纪炼金术士的梦想变成了现实!

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LHC实验不会产生大量的金块——但铅离子束中的某些粒子可以在大约一微秒内转化为黄金

  • 好消息是,他们用大型强子对撞机(LHC)成功地把铅变成了黄金。

  • 坏消息是,整个过程只有短短一瞬间,而且成本高的吓人。

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这次神奇的「点石成金」术,发生在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)。

在耗资数十亿美元建成的LHC中,铅离子发生了猛烈的对撞。

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CERN的ALICE探测器

很久之前,化学家们就一直梦想着能把廉价的铅转化成昂贵的黄金。

但由于铅的质子数是82,而金的质子数是79。这种数量上的差异靠化学方法完全没戏。

然而,CERN的研究人员现在却做到了!

他们让铅离子以接近光速对撞。但有些时候,这些离子不是正面撞上,而是擦肩而过。

这个时候,离子周围的强电磁场可以产生一个能量脉冲,使得迎面而来的铅原子核喷射出3个质子,神奇的事情发生了——

铅原子变成了黄金!

LHC的ALICE实验从碰撞产生的碎片中筛选出了这些「点石成金」的瞬间。

该团队5月7日发表在顶刊《物理评论》上的分析中计算出,2015到2018年间,LHC的碰撞共产生了860亿个金原子核——大约29万亿分之一克。

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

这些极不稳定、飞速运动的金原子大多只存在了约1微秒,之后便撞到了实验设备或分解成了其他粒子。

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ZP和ZN中EMD事件发射高达七到八个中子的能量之间的相关性:ZPC与ZNC(左)和ZPA与ZNA(右)

每当LHC中的铅离子相撞时,都会产生黄金,但目前只有ALICE实验的探测器能捕捉到这个过程。

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测量(圆圈)和通过 RELDIS(实线直方图)计算的给定数量中子i伴随单个质子在208Pb核的UPCs中的发射截面

ALICE团队的物理学家Uliana Dmitrieva说,这项分析是「首次通过实验系统地探测和分析LHC中黄金的产生」。

纽约石溪大学的物理学家Jiangyong Jia提到,CERN的另一个加速器SPS早在2002到2004年就观察到了铅转变成金的现象。

但这次最新的实验能量更高,产生黄金的概率更大,而且观察到的结果也更加的清晰。

虽然成功实现了「点铅成金」术,但是CERN的研究人员没有计划将炼金术作为副业。

他们表示,该实验是为了更好地理解光子如何改变原子核,这将有助于提升LHC的性能。「理解此类过程对于控制束流质量和稳定性至关重要」,Jiangyong Jia说。

大型强子对撞机(LHC)

大型强子对撞机(LHC)有过辉煌的成果。

2012年时发现了希格斯玻色子,完成了物理学上的一次重大突破。

这次突破验证了物理学家对宇宙中粒子和力的现有最佳解释:标准模型。

LHC的建造成本已达92亿美元,包括三次大的更新。第三代的LHC拥有更多数据、更好的探测器以及创新方法。

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大型强子对撞机2018-22年停机期间,ALICE实验的探测器进行了改进

「我们现在真是满怀激情地开始,」墨西哥普埃布拉自治大学(BUAP)的粒子物理学家Isabel Pedraza说,「我相信第三轮运行会让我们看到些新东西。」

更高能量与更多数据

经过粒子加速器的升级改造,第三代LHC将以13.6万亿电子伏特(TeV)的能量撞击质子——比第二轮的13万亿电子伏特略高。

更高的能量撞击应该会增加碰撞产生粒子的机会,尤其是在一些理论认为可能隐藏新物理的高能区域,CERN束流运行负责人Rende Steerenberg说。

LHC的粒子束也会更密集,增加碰撞概率。

这将使LHC能更长时间保持峰值碰撞率,最终让实验记录的数据量相当于前两代的总和。

为了应对数据洪流,LHC的探测器——捕捉碰撞喷射粒子并测量的传感器——也进行了升级,使其更高效、更精准。

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LHC的研究人员一直面临一个大难题是:碰撞产生的数据太多,能存储下来的却少得可怜。

机器每秒让粒子束碰撞4000万次,每次质子-质子碰撞(称为「事件」)可能会喷出数百个粒子。系统必须从中挑出最有趣的事件,扔掉大部分数据。

比如,在LHC的四大实验之一的CMS中,内置的硬件触发器会根据粒子的能量等属性,每秒粗略筛选出约10万个事件,然后软件再从中挑出大约1000个进行完整重建和分析。

现在数据量更大,触发系统得筛选更多事件。

一个改进是引入了原本为视频游戏设计的GPU(图形处理单元)芯片。

这些芯片比传统处理器更快地重建粒子轨迹,让软件能以更高标准、更快速度地扫描数据,从而捕捉到以前可能被漏掉的奇怪碰撞事件。

参考资料:

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

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01388-6

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