Cientistas testemunham chumbo literalmente se transformar em ouro
Durante a Idade Média, muitos se dedicaram à alquimia, na esperança de transformar o simples chumbo em ouro brilhante. Talvez, ao invés de caldeirões e fórmulas mágicas, aqueles alquimistas devessem ter investido em um colisor de partículas. Um novo estudo revela que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN produziu cerca de 86 bilhões de núcleos de ouro a partir de núcleos de chumbo em alta velocidade durante a sua segunda execução, entre 2015 e 2018.
O ouro efêmero do LHC
A quantidade de ouro gerada, no entanto, é minúscula – apenas trilionésimos de um grama, e sua existência é extremamente breve, durando apenas frações de segundo. O que realmente destaca-se é o método como os físicos quantificaram a produção de ouro: contando o número de prótons que acompanharam os nêutrons envolvidos nas interações do chumbo, utilizando os calorímetros de grau zero do detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment).
Uliana Dmitrieva, física da colaboração ALICE no CERN, explica que graças às capacidades únicas dos calorímetros ZDCs do ALICE, esta análise é a primeira a detectar e analisar sistematicamente a assinatura da produção de ouro no LHC experimentalmente.
Na tabela periódica, chumbo e ouro estão quase lado a lado. O ouro possui 79 prótons, enquanto o chumbo tem 82. Ou seja, essencialmente, você pode remover alguns prótons e nêutrons de um átomo de chumbo para obter um átomo de ouro. No entanto, essa transformação não é tão simples quanto parece. É necessário um colisor de partículas que possa acelerar partículas a energias altas o suficiente para realizar essa remoção.
Complexidade e custo da transformação
O processo é extremamente intensivo em energia e requer equipamentos altamente especializados e caros. Se você está buscando ouro, essa é provavelmente a maneira menos eficiente de encontrá-lo, considerando o esforço, custo e recursos envolvidos.
Apesar disso, o chumbo é uma escolha comum para experimentos em colisores de partículas, resultando na produção muito breve de ouro como subproduto. A colaboração ALICE agora quantificou a produção de ouro não a partir de colisões diretas entre núcleos de chumbo, mas de quase colisões enquanto eles giram a 99,999993 por cento da velocidade da luz no LHC.
Em tais velocidades, o núcleo de chumbo, com seus 82 prótons carregados, achata o campo eletromagnético no colisor perpendicularmente à direção em que está viajando, gerando um pulso de fótons quando dois núcleos de chumbo passam suficientemente próximos um do outro.
Além do ouro: outros elementos criados
Essa interação com um fóton pode então alterar a estrutura interna de um núcleo de chumbo, fazendo com que ele ejete nêutrons e prótons. E não é apenas ouro que surge desse processo. A remoção de nucleons pode produzir um núcleo de tálio com 123 nêutrons e 81 prótons; ou um núcleo de mercúrio com 121 nêutrons e 80 prótons.
Usando os ZDCs do ALICE para contar nêutrons soltos com um, dois ou três prótons, a colaboração quantificou a produção de todos os três elementos durante a mesma execução do LHC. O tálio e o mercúrio são produzidos em quantidades muito maiores do que o ouro, mas este último é atualmente produzido a uma taxa máxima de cerca de 89.000 núcleos por segundo, a partir de colisões chumbo-chumbo próximas ao ponto de colisão do ALICE no colisor.
O desapontamento dos alquimistas
Para a segunda execução do acelerador de partículas, a quantidade de ouro produzida era ínfima – apenas 29 picogramas, ou trilionésimos de um grama. Essa é a escala em que as bactérias são medidas. Existem sextilhões de átomos em apenas um grama de ouro.
Além disso, os núcleos de ouro em alta velocidade colidem contra as paredes do Grande Colisor de Hádrons e se desintegram em uma chuva de prótons, nêutrons e elétrons quase tão rapidamente quanto se formam. Os alquimistas medievais teriam ficado profundamente desapontados.
No entanto, nós não estamos. Isso é uma ciência realmente fascinante. Não é apenas possível lançar átomos uns contra os outros a quase a velocidade da luz, mas também determinar as mudanças que esses átomos sofrem como resultado do impacto. Isso supera em muito os sonhos mais selvagens de nossos antepassados medievais.
Marco van Leeuwen, físico de partículas da Universidade de Utrecht e porta-voz da colaboração ALICE, destaca que é impressionante ver que nossos detectores podem lidar com colisões diretas que produzem milhares de partículas, enquanto também são sensíveis a colisões onde apenas algumas partículas são produzidas, permitindo o estudo de processos raros de ‘transmutação nuclear’ eletromagnética.
As descobertas foram publicadas na revista Physical Review C.
