От свинца к золоту

Международная коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере (БАК), впервые зафиксировала превращение сталкивающихся в коллайдере ядер свинца в золото в результате их непрямого электромагнитного взаимодействия. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review C.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Эксперимент проводился на установке ALICE, где взаимодействуют встречные пучки ядер свинца. Главной целью при этом является изучение образования в столкновениях ядер кварк-глюонной плазмы — загадочной субстанции, которая, как полагают, заполняла раннюю Вселенную в первые мгновения после Большого взрыва. Для этого рассматриваются прежде всего «лобовые» столкновения ядер с участием короткодействующего сильного взаимодействия. Было обнаружено, что даже когда одно ядро пролетает мимо другого на расстояниях, превышающих сумму радиусов ядер, его электромагнитное поле может выбивать из ядра—партнера по столкновению протоны, превращая свинец в другие элементы. При потере одного протона свинец превращается в таллий, двух — в ртуть, а трех — в золото. По словам специалистов, количество полученного золота крайне мало, а его ядра разбиваются о внутренние стенки ускорителя. Поэтому невозможно накопить материал даже для обручального кольца.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Однако опубликованная работа имеет большое значение для физики взаимодействия ядер, оптимизации работы БАК и проектирования будущих ускорителей.

Работа была выполнена при непосредственном участии российских физиков из Института ядерных исследований РАН, которые, в частности, внесли важный вклад в теоретическое моделирование процесса.

На вопросы «Ъ-Науки» отвечает ведущий научный сотрудник ИЯИ РАН и по совместительству профессор Московского физико-технического института (МФТИ), доктор физико-математических наук Игорь Пшеничнов.

— Вас не удивило то, что эта работа привлекла столь пристальное внимание мировых СМИ? Новость отметили в Nature, Scientific American, Newsweek, лондонской The Times, упомянули в теленовостях? Почему результаты оказались интересны людям без физического образования?

— Действительно, по количеству упоминаний в прессе эта публикация оказалась на первом месте среди всех работ из Physical Review C и входит в 5% наиболее цитируемых за все время сбора такой статистики. Думаю, успех связан с тем, что нам удалось провести понятную всем параллель с мечтой средневековых алхимиков о превращении свинца в золото. Хотя, конечно, целью нашей работы было изучение фундаментальной физики взаимодействий ядер, а не получение золота или других химических элементов из свинца.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Как родилась идея этого исследования?

— История началась еще в 1997 году в Институте Нильса Бора в Копенгагене. Тогда физики-теоретики Игорь Мишустин и Якоб Бондорф предложили использовать разрабатываемую мной модель поглощения гамма-квантов ядрами для описания взаимодействий на будущем БАК, когда ядра пролетают друг мимо друга с огромными скоростями, близкими к скорости света, а их электромагнитные поля вызывают фрагментацию (электромагнитную диссоциацию) ядер—партнеров по столкновению. Поглощенные гамма-кванты приводят к возбуждению ядер, а они, переходя в основное состояние, испускают нейтроны и протоны. Так появилась модель RELDIS, которая впоследствии успешно описала результаты десятка экспериментов, помимо тех, которые выполнила коллаборация ALICE на БАК.

— Какие технические инновации потребовались для проведения эксперимента? Почему были задействованы детекторы именно ALICE?

— ALICE — единственный эксперимент на коллайдере, оснащенный не только детекторами для регистрации вылетающих вперед нейтронов, но и передними калориметрами для регистрации протонов. Их создали наши итальянские коллеги из Туринского университета. Хотя сами вторичные ядра таллия, ртути и золота, образующиеся из ускоренных ядер свинца-208 (208Pb), напрямую не детектировались — там, куда летят эти ядра, на БАК просто нет места для установки необходимых для этого детекторов,— но по количеству вылетевших протонов и нейтронов можно достоверно определить, какой элемент образовался.

В этом, собственно говоря, и состоит уникальность установки ALICE, не говоря уже о том, что она дает саму возможность изучать электромагнитную диссоциацию ядер при рекордных энергиях их столкновений. Именно модель RELDIS показывает, что после эмиссии небольшого числа нейтронов и протонов из 208Pb образуется цельное ядро-остаток. Энергии поглощаемого ядром в электромагнитных взаимодействиях гамма-кванта просто не хватает для более масштабного разрушения ядра. Поэтому мы абсолютно уверены, что если регистрируются, скажем, три протона и несколько нейтронов, то, как правило, образуется единственное недетектируемое ядро золота. Нам удалось ранее проверить модель RELDIS путем сравнения с данными нескольких экспериментов, выполненных также в ЦЕРН, но при меньших энергиях ядер, поставляемых синхротроном-предускорителем БАК. В некоторых экспериментах регистрировались сами вторичные ядра, но не нейтроны и протоны. Так, результаты различных экспериментов и теория органично дополняют и перепроверяют друг друга.

— Это превращение — полезный эффект или проблема?

— Скорее проблема. На одно ядро свинца, участвующее в создании столь интересной для всех физиков кварк-глюонной плазмы — особого состояния вещества в ранней Вселенной,— приходится около 30 ядер, которые «бесславно» теряются из-за электромагнитной диссоциации, изменив по причине потери нейтронов и протонов свое отношение заряда к массе и уйдя со своей «правильной» траектории внутри БАК. Это может представлять опасность для сверхпроводящих магнитов коллайдера.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Как с царем Мидасом, который пожелал, чтобы все, к чему он прикоснется, превращалось бы в золото, и чуть не умер от этого с голода... Превращение, когда надо и не надо… И каковы же практические применения этих исследований?

— Главное практическое значение — защита оборудования коллайдера. Энергия, приходящаяся на одно ядро 208Pb, ускоренное на БАК, примерно соответствует кинетической энергии летящего комара. Но 42 млрд ядер только одного пучка из двух встречных имеют энергию 3,5 МДж, что достаточно для плавления примерно 7 кг меди. Поэтому вторичные ядра, сходящие с орбиты, представляют опасность для сверхпроводящих магнитов, окружающих пучок и работающих при температуре –271°C. Наша работа и несколько предыдущих дали возможность узнать, сколько и каких вторичных ядер образуется, чтобы рассчитать их траекторию и защитить магниты специальными коллиматорами. Эти знания также необходимы для проектирования будущего суперколлайдера FCC-hh.

— А почему используется именно изотоп свинца-208? Говорилось, что этот чистый изотоп даже дороже золота. Какими уникальными свойствами он обладает?

— Изотоп 208Pb — «дважды магическое» ядро с полностью заполненными протонной и нейтронной оболочками. В них 82 протона и 126 нейтронов соответственно. Это самое тяжелое ядро из стабильных, его размеры, распределение протонов и нейтронов в нем хорошо изучены в экспериментах по рассеянию на нем частиц низких энергий. Известные параметры 208Pb позволяют точнее моделировать взаимодействия таких ядер на БАК. Слитки 208Pb весом 0,5 г закладываются в ионный источник в начале сеанса на коллайдере.

— Понятно, что собрать золото, произведенное на БАК, невозможно: его ядра разрушаются где-то внутри коллайдера. И его слишком мало. А можно ли представить рентабельный способ получения золота из других элементов?

— Безусловно, радиоактивные изотопы золото-198 и золото-199 находят применение в ядерной медицине для радиационной диагностики и терапии онкологических заболеваний. Они производятся путем облучения нейтронами, протонами и дейтронами мишеней из платины и ртути и на порядки дороже всем известного стабильного ювелирного золота-197. На их производстве можно неплохо заработать. Но именно на БАК золото впервые было получено из свинца под действием гамма-квантов, хотя этот научный факт для финансистов и медицины бесполезен...

— Каковы перспективы дальнейших исследований?

— К сожалению, срок действия соглашения о сотрудничестве между ЦЕРН и Россией в качестве страны-наблюдателя истек в конце прошлого года. Но я благодарен коллегам из ALICE за двадцать лет совместной работы и полученный бесценный опыт. Коллаборация ALICE — это уникальное научное сообщество, основанное на демократических принципах, со своей работающей конституцией, выборностью и сменяемостью руководства. Периодическая ротация председателей комитетов и рабочих групп, инициатива снизу, например, в выборе тематики будущих публикаций, выдвижение и поддержка талантливой молодежи обеспечивают получение первоклассных научных результатов. Многое из этого опыта было бы полезно перенять и российским исследователям.

Подготовлено при поддержке пресс-службы ИЯИ РАН