De eeuwenoude droom van alchemisten wordt werkelijkheid
Wat middeleeuwse alchemisten slechts konden dromen, is nu realiteit geworden. Maar dan wel op een manier die juweliers niet rijk zal maken. In de Large Hadron Collider zijn wetenschappers erin geslaagd om lood daadwerkelijk in goud om te zetten. Voor het eerst in de geschiedenis hebben onderzoekers gemeten hoe loodkernen, die met bijna de lichtsnelheid botsen, transformeren tot het edelmetaal.
Het resultaat klinkt spectaculair, maar blijft tegelijkertijd bescheiden in omvang. Het geproduceerde goud bestaat slechts gedurende een subatomaire fractie van een seconde. Toch markeert deze doorbraak een fascinerende mijlpaal in de experimentele kernfysica.
Verbluffende aantallen, microscopisch resultaat
De cijfers vertellen een indrukwekkend maar ook ernuchterend verhaal. Tussen 2015 en 2018 produceerde het experiment ongeveer 86 miljard goudkernen. Omgerekend naar begrijpelijke maatstaven komt dat neer op ongeveer 29 picogram – oftewel 29 biljoenste delen van een gram.
Deze hoeveelheid is zelfs met een microscoop niet waar te nemen. Momenteel bereikt het experiment een snelheid van 89 miljard goudkernen per seconde. Desondanks blijven we ver verwijderd van het moment waarop we daadwerkelijk een gouddeeltje in het laboratorium kunnen aanschouwen.
Hoe wordt lood precies goud?
In het periodiek systeem is het verschil tussen lood en goud verrassend eenvoudig. Een loodkern bevat 82 protonen, terwijl een goudkern er 79 heeft. Verliest een loodkern drie protonen? Dan transformeert het element tot goud.
Fysicus Ulrik Egede vat het bondig samen: theoretisch volstaat het om deze drie protonen te verwijderen. Praktisch gezien is dit echter allesbehalve simpel. De wetenschappers gebruiken geen magische formules, maar extreme elektrische velden om dit te realiseren.
Extreme snelheden creëren nieuwe elementen
Loodkernen worden versneld tot 99,999993% van de lichtsnelheid. Bij zulke verbijsterende snelheden comprimeert het elektromagnetische veld van elke kern tot een intense fotonenpuls. Wanneer twee kernen elkaar rakelings passeren zonder directe botsing, kunnen deze ultraperifere interacties neutronen en protonen uit de kern slaan.
Dit fenomeen heet elektromagnetische dissociatie. Meestal komen alleen neutronen vrij, maar bij hogere fotonenergieën kunnen ook protonen worden uitgestoten. Het baanbrekende onderzoek meet voor het eerst hoeveel keer lood nul, één, twee of drie protonen verliest samen met neutronen. Zo kunnen onderzoekers precies bepalen wanneer de kern lood blijft, en wanneer het thallium, kwik of goud wordt.
Precisie-instrumenten onthullen verbazingwekkende details
Gespecialiseerde detectoren, zogenaamde zero-degree calorimeters, bevinden zich meer dan 100 meter van het botsingspunt. Deze apparaten tellen de neutronen en protonen die vrijwel rechtlijnig met de straal worden uitgestoten.
Op basis van de verzamelde energie in deze detectoren reconstrueren wetenschappers het aantal uitgestoten deeltjes per gebeurtenis. Vervolgens berekenen ze de doorsneden – de waarschijnlijkheid voor elk type transmutatie. Deze metingen worden vergeleken met theoretische referentiemodellen, en daar ontstaan verrassingen.
Theoretische modellen blijken niet perfect
Het model beschrijft nauwkeurig de gevallen waarin protonen intact blijven en de kanalen waarbij drie protonen vrijkomen, gekoppeld aan goudvorming. Echter, het onderschat gebeurtenissen met één of twee protonen met ongeveer 17-25%. Tegelijkertijd overschat het de kanalen met een proton samen met één, twee of drie neutronen – met een factor twee tot drie.
Fysici concluderen dat het model nauwkeuriger moet worden afgestemd op hoe het protonuitstoot behandelt en de tussenliggende reactiefase interpreteert. Deze bevindingen dragen bij aan fundamenteler begrip van kernreacties.
Waarom dit onderzoek essentieel blijft
Niemand verwacht snel kluizen vol laboratoriumgoud. De werkelijke waarde ligt elders. Dit onderzoek verdiept ons begrip van fotodissociatiereacties – processen waarbij hoogenergetisch licht zware kernen modificeert.
Dezelfde fysica wordt toegepast bij het ontwerpen van de toekomstige elektron-ionversneller. Daar zal het cruciaal zijn om interessante signalen te onderscheiden van achtergrondruis, veroorzaakt door protonen en neutronen die vrijkomen uit targets. Deze kennis is onmisbaar voor vooruitgang in deeltjesfysica.
Onbedoelde gevolgen voor de versneller
Deze ’toevallige’ transmutatieprocessen blijken niet ongevaarlijk voor de versneller zelf. Telkens wanneer een loodkern transformeert naar thallium, kwik of goud, verlaat het de voorgeschreven baan. Het botst met de buiswanden en draagt bij aan stralingsverlies.
Dit beperkt de levensduur van de straal en de helderheid die beschikbaar is voor onderzoekers. Daarom gaat deze geavanceerde alchemie meer over efficiëntie en veiligheid dan over rijkdom.
Picogrammen bepalen de toekomst
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 elk uur bedrijfstijd optimaal benutten.
Het herinnert ons eraan dat zelfs in gigantische faciliteiten, waar elektriciteit en middelen in astronomische bedragen worden gemeten, de details nog steeds in picogrammen worden uitgedrukt. Moderne wetenschap vereist aandacht voor zowel het kolossale als het microscopische – en deze experimenten bewijzen beide meesters te zijn.
