Umwandlung von Blei zu Gold in ALICE detektiert

Im ALICE-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) wurde die Umwandlung von Blei- zu Gold-Atomkernen detektiert. Dies geschah ohne direkten Kontakt der Kerne, rein durch das Herauslösen von Protonen aufgrund des hohen elektromagnetischen Feldes zwischen den beide Bleikernen. Ein Prozess, der so erstmals beobachtet wurde.


Schematische Darstellung der Umwandlung eines Blei-Atomkerns (Pb) zu einem Gold-Atomkern (Au). Die elektromagnetische Interaktion zwischen den Kernen bei Beinahe-Kollisionen (links), sorgt dafür, dass Protonen aus dem Bleikern herausgelöst werden, und so ein anderes Element, wie Gold, entsteht (rechts).
Schematische Darstellung der Umwandlung eines Blei-Atomkerns (Pb) zu einem Gold-Atomkern (Au). Die elektromagnetische Interaktion zwischen den Kernen bei Beinahe-Kollisionen (links), sorgt dafür, dass Protonen aus dem Bleikern herausgelöst werden, und so ein anderes Element, wie Gold, entsteht (rechts). © CERN

 

Was in der Alchemie vor Jahrhunderten vergebens versucht wurde, ist nun Wissenschaftler*innen der ALICE-Kollaboration am LHC gelungen: Das Erschaffen von Gold aus Blei.

Dafür wurden Blei-Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander geschossen. Sie wurden allerdings nicht zur direkten Kollision gebracht, sondern sind knapp aneinander vorbeigeflogen. Das elektromagnetische Feld, welches ein Blei-Atomkern aufgrund seiner elektrischen Ladung und relativistischen Geschwindigkeit besitzt, sorgte dafür, dass aus einem anderen vorbeifliegenden Blei-Atomkern Protonen herausgelöst wurden.

Wenn ein Atomkern Protonen verliert, ändert sich das zugrunde liegende Element: “Blei besteht aus 82 Protonen. Wird ein Proton entfernt, entsteht Thallium. Werden zwei entfernt, entsteht Quecksilber, und wenn drei Protonen entfernt werden, entsteht Gold”, erklärt Kai Schweda, stellvertretender Leiter der ALICE-Kollaboration.
All diese Umwandlungsprozesse wurden nun in Daten des Run 2 des LHC (2015 - 2018) beobachtet.

 

„Schaut mal, wir haben Blei zu Gold gemacht“

- Mitglied der ALICE-Kollaboration

 

Die Rate, mit der Gold produziert wurde, betrug etwa 89 000 Atome pro Sekunde. Hochgerechnet auf die Dauer des Run 2 wurden etwa 86 Milliarden Gold-Atomkerne im LHC erschaffen. Was nach viel klingt, ist auf die Masse bezogen allerdings immer noch extrem gering, erklärt Schweda:
“Die 86 Milliarden Gold-Kerne entsprechen einer Masse von etwa 30 Picogramm (3 × 10-11 g).
Um auf diesem Wege auch nur ein Gramm Gold zu erzeugen, müsste man den LHC 30 Milliarden Mal länger laufen lassen - also für etwa 100 Milliarden Jahre. Reich wird man mit dieser Methode also nicht (lacht).
Außerdem ist das entstandene Gold nicht das stabile Gold-179-Isotop, aus dem das beliebte Edelmetall besteht, sondern ein instabiles Isotop, welches mehr Neutronen besitzt. Dieses ist radioaktiv und zerfällt nach einigen Minuten.”

Statt finanziellem Reichtum bringt diese Entdeckung aber einen reichen Erkenntnisgewinn in der Grundlagenforschung. Mit den gewonnenen Daten werden die fundamentalen Prozesse unseres Universums untersucht - hier konkret die Quantenelektrodynamik. Es wurde beispielsweise eine Abweichung zwischen den Daten aus dem Experiment und einem Modell festgestellt, welches die Anzahl der entstehenden Kerne voraussagen sollte. Die neu analysierten Daten helfen dabei, dieses Modell zu verbessern und so die Prozesse im Innersten der Materie besser zu verstehen. Darüber hinaus dienen Sie auch dem Verständnis und der Vorhersage von Strahlverlusten, die eine entscheidende Begrenzung für die Leistung des LHC sowie zukünftigen Beschleunigern darstellen.

 

Publikation:
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.111.054906

Kontakt:
Kai Schweda
Stellvertretender Leiter der ALICE-Kollaboration
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