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在中世纪的欧洲，炼金术士们曾经痴迷于将普通的铅变成闪闪发光的黄金。他们试图通过各种神秘的方法来实现这一梦想，但最终都以失败告终。然而，现代科学却在不经意间实现了他们的梦想——虽然方式完全不同。
据最新研究，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在2015年至2018年的第二次运行期间，成功地将大约860亿个铅原子核变成了金原子核。不过，这并不是我们想象中的那种“大量”黄金——实际上，这些黄金的总重量仅为万亿分之一克，而且存在的时间极短，只有几亿分之一秒。然而，这一发现的科学意义却是巨大的。
科学家们是如何做到这一点的呢？他们利用了大型强子对撞机中的ALICE（大型离子对撞机实验）探测器的零度量热器（ZDCs）。这些探测器能够精确地计算出在铅原子核相互作用过程中伴随中子的质子数量。正如ALICE合作组的物理学家乌里亚娜·德米特里耶娃所说：“得益于ALICE零度量热器的独特能力，我们首次系统地在大型强子对撞机实验中检测并分析了黄金产生的特征。”
在元素周期表中，铅和金的位置非常接近。金有79个质子，而铅有82个质子。理论上，只要从铅原子中敲掉几个质子（以及一些中子），就可以得到金原子。这个过程听起来似乎与中世纪炼金术士试图实现的“点石成金”类似，但实际操作起来却复杂得多。你需要一个能够将粒子加速到足够高能量的粒子对撞机，才能实现这种“敲打”。
这个过程不仅需要极高的能量，还需要极其昂贵且高度专业的设备。如果想要得到黄金，这无疑是效率最低的方式，无论从努力、成本还是资源的角度来看。然而，铅是粒子对撞机实验中常用的材料，因此在实验过程中，黄金作为副产品被短暂地产生出来。
ALICE合作组通过研究大型强子对撞机中铅原子核的“擦肩而过”，而不是它们之间的直接碰撞，量化了黄金的产生。在这个过程中，以99.999993%光速飞行的铅原子核，其82个带电质子会在对撞机中产生一个与运动方向垂直的电磁场。当两个铅原子核足够接近时，会产生光子脉冲。光子与铅原子核相互作用，会扰动其内部结构，导致中子和质子被弹出。
这个过程不仅会产生黄金，还会产生其他元素。例如，移除核子后可能会产生一个含有123个中子和81个质子的铊原子核，或者一个含有121个中子和80个质子的汞原子核。ALICE合作组利用零度量热器来计算出单个、两个或三个质子的自由中子，从而量化了在大型强子对撞机运行期间这三种元素的产生。
尽管黄金的产生量非常小，但这一发现仍然具有重要的科学意义。科学家们不仅能够将原子以接近光速的速度相互撞击，还能精确地分析这些原子在撞击过程中发生的变化。这远远超出了中世纪先辈们最疯狂的想象。
“令人印象深刻的是，我们的探测器能够处理产生数千个粒子的正面碰撞，同时也能对只产生少量粒子的碰撞保持敏感，这使得我们能够研究罕见的电磁‘核嬗变’过程。”乌特勒支大学的粒子物理学家、ALICE合作组发言人马尔科·范·李文说。
这一研究成果已经发表在《物理评论C》上。
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