CERN'de Kurşunun Altına Dönüşümü: Pratikte Gerçekleşen Simya

Ortaçağ simyacılarını kıskandıracak bir atılımla, Avrupa'daki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) bilim insanları, kurşunu altına dönüştürmeyi ve saniyede 89.000 atom üretmeyi başardılar. LHC, atomları inanılmaz hızlarda çarpıştıran devasa bir parçacık hızlandırıcıdır. Burada, bilim insanları, kurşun atomlarından üç küçük parçacığı, yani protonu, çıkarmanın ve böylece onları altın atomlarına dönüştürmenin bir yolunu keşfettiler. Bu keşfin arkasındaki ekip, ALICE işbirliği olarak bilinir, altın üretimi için benzersiz bir yöntem kullandı. Kurşun atomlarının doğrudan çarpışmaları yerine, atomların birbirine zar zor dokunduğunda ne olacağını gözlemlediler. Araştırmacılar, bu gerçekleştiğinde, atomları çevreleyen güçlü elektromanyetik alanların farklı elementlere dönüşmelerine yol açabileceğini açıkladı.

Kurşunu Altına Dönüştürmek: CERN'de Modern Bir Kimya Başarısı

"Physical Review Journals"da yayınlanan son bir çalışmada, CERN'deki ALICE deneyine katılan bilim insanları olağanüstü bir şeyi gözlemlediler: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) kurşunun altına dönüşümü. Uzun yıllar boyunca kimyagerler, hem ağır hem de benzer özelliklere sahip metaller olan kurşunu altına dönüştürmenin hayalini kurdular, bu arayış "chrysopoeia" olarak bilinir. Elbette, şimdi kurşun ve altının tamamen farklı elementler olduğunu ve herhangi bir kimyasal işlemin biri diğerine dönüştüremeyeceğini biliyoruz.

Fizikle Güçlenen Yeni Bir Kimya Türü

20. yüzyılda, nükleer fizik, atomların bir elementten diğerine dönüşebileceğini ortaya koydu. Bu, doğal olarak radyoaktif bozunma yoluyla veya laboratuvarlarda nötronlar veya protonlar gibi yüksek enerjili parçacıklar kullanılarak gerçekleştirebilir. Altın daha önce bu şekilde yapılmıştı, ancak şimdi ALICE ekibi, bu kez yüksek hızlı kurşun atomları arasındaki yakın çarpışmaları kullanarak elementleri büyülü bir şekilde değiştiren tamamen yeni bir yöntem ölçtü. İki kurşun çekirdeği neredeyse ışık hızıyla LHC'de yarışırken, çarpışabilirler. Doğrudan çarpışma yerine, atomik çekirdeklerin kimliklerini değiştirme potansiyeline sahip yoğun elektromanyetik kuvvetleri tetiklemek için yeterince yakın gelirler. Bu etkileşimler, kurşunu altına dönüştürme dahil olmak üzere atom çekirdeklerinin kimliğini değiştiren enerji patlamaları üretebilir.

Foton Patlamaları ve Nükleer Değişimler

Bir kurşun çekirdeği tarafından yayılan elektromanyetik alan, çekirdekteki her biri tek bir temel yük taşıyan 82 proton nedeniyle özellikle güçlüdür. Ayrıca, LHC'de kurşun çekirdeklerinin hareket ettiği çok yüksek hız (ışık hızının %99,999993'üne eşdeğer) elektromanyetik alan çizgilerinin, hareket yönüne dikey olarak, ince bir krep gibi bir şekle sıkışmasına neden olur, kısa ömürlü bir foton patlaması sonucunda. Bu, çekirdekle etkileşime giren bir fotonun, iç yapısında salınımları uyararak, az sayıda nötron ve protonun atılmasına yol açan elektromanyetik ayrışma olarak adlandırılan bir süreci tetikleyebilir. LHC demetlerinde altın üretmek için (79 proton içeren bir çekirdek), kurşun çekirdeğinden üç proton çıkarılmalıdır. ALICE projesi sözcüsü Marco van Leeuwen, "Dedektörlerimizin, binlerce parçacık üreten doğrudan çarpışmaları işleyebilirken, sadece birkaç parçacık üreten çarpışmalar için yüksek hassasiyeti koruyarak 'nükleer dönüşüm' süreçlerini incelemeye imkan vermesi etkileyici." dedi.

Parçacık Çarpışmalarında Altın Atomlarını Saymak

ALICE ekibi, sıfır, bir, iki ve üç protonun yanı sıra en az bir nötronun emisyonuna yol açan foton-çekirdek etkileşimlerinin sayısını hesaplamak için dedektörün Sıfır Derece Kalorimetrelerini (ZDC) kullandı. Bu etkileşimler, sırasıyla kurşun, talyum, cıva ve altın üretimiyle ilişkilidir. Bu etkileşimler, talyum veya cıva üretiminden daha seyrektir, ancak sonuçlar, LHC'nin şu anda ALICE çarpışma noktasındaki kurşun çarpışmalarından saniyede yaklaşık 89.000 çekirdek hızında altın ürettiğini gösteriyor. Altın çekirdekleri çarpışmadan çok yüksek enerjiyle çıkar, LHC'nin ışın borusuna çarp veya boyunca farklı noktalara yayılır ve hızla protonlar, nötronlar ve diğer parçacıklara ayrılır. Altın, sadece çok kısa bir süre için var olur.

Kısa Süreli Bir Haz: Bir Milyar Altın Atom, Ama Hiçbir Mücevher Yok

ALICE tarafından yapılan analiz, LHC'nin ikinci çalışması sırasında (2015-2018), dört ana deneyde yaklaşık 86 milyar altın çekirdeğinin üretildiğini gösteriyor. Kütle açısından, bu sadece 29 pikograma (2.9 × 10-11 gram) eşittir. LHC'nin sürekli olarak artan ışıklılığı, düzenli ekipman güncellemeleri sayesinde, üçüncü çalışma, ikinci çalışmanın ürettiği miktarın neredeyse iki katını üretmiştir, ancak toplam miktar, bir mücevher yapmak için gereken miktardan trilyonlarca kat daha azdır. Ortaçağ kimyagerlerinin rüyası teknik olarak gerçekleştirilmiş olsa da, zenginlik umudu bir kez daha buharlaştı.

Bilim Geleneksel Altın Madenciliğinin Yerini Alacak mı?

Otomasyon birçok endüstriyi devrim niteliğinde değiştirse de, altın madenciliği parçacık hızlandırıcılar tarafından henüz geçilmemiştir. LHC'deki süreç, bir damlalıkla bir yüzme havuzunu doldurmaya çalışmak gibidir—teorik olarak mümkün ama pratikte imkansızdır. Fizikçi John Jowett, "Bu saf bir bilimdir ve bilgi aranmaktadır. Fizikteki altın standart, anlaşılmadır, gerçek altın üretimi değildir." diyor.

Altının Ötesinde: Çarpıştırıcı Fiziğini Geliştirmek

ALICE'nin bölümsel veri merkezlerinin eşsiz yetenekleri sayesinde, bu analiz, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) altın üretiminin deneysel izlerini sistematik olarak ortaya çıkarmak ve incelemek için ilk temsili atılımı temsil ediyor, diyor ALICE projesinden Uliana Dmitrieva. ALICE projesinden John Jowett, "Sonuçlar, kendi içsel fiziksel değerlerine ek olarak, LHC ve gelecekteki çarpıştırıcıların performansında büyük bir engel olan ışın kayıplarını anlamak ve tahmin etmek için çok önemli olan elektromanyetik ayrışma için teorik modelleri test ediyor ve geliştiriyor." diye ekliyor.