I fisici del Large Hadron Collider hanno trasformato il piombo in oro

I medievali alchimisti sognavano di trasformare il piombo in oro. Oggi sappiamo che piombo e oro sono elementi diversi e che nessun processo chimico può mutare l’uno nell’altro.

Ma la nostra conoscenza moderna ci rivela la differenza fondamentale tra un atomo di piombo e uno d’oro: l’atomo di piombo contiene esattamente tre protoni in più. Quindi, possiamo creare un atomo d’oro semplicemente estraendo tre protoni da un atomo di piombo?

A quanto pare, sì. Ma non è semplice.

Mentre facevano collidere atomi di piombo a velocità elevatissime per ricreare le condizioni dell’universo subito dopo il Big Bang, i fisici dell’esperimento ALICE al Large Hadron Collider in Svizzera hanno prodotto incidentalmente minuscole quantità d’oro. Quantità davvero infinitesimali: appena 29 milionesimi di miliardesimo di grammo.

Come rubare un protone

I protoni si trovano nel nucleo di un atomo. Come si possono estrarre?

Dato che i protoni hanno una carica elettrica, un campo elettrico può attirarli o respingerli. Quindi, applicando un campo elettrico a un nucleo atomico, sarebbe teoricamente possibile strapparli via.

Tuttavia, i nuclei sono tenuti insieme da una forza potentissima e a corto raggio, nota (con poca fantasia) come forza nucleare forte. Ciò significa che per estrarre un protone serve un campo elettrico estremamente intenso—circa un milione di volte più potente di quelli che generano i fulmini nell’atmosfera.

Per generare un campo così potente, gli scienziati hanno sparato fasci di nuclei di piombo l’uno contro l’altro a velocità incredibili—quasi quella della luce.

La magia di un “quasi scontro”

Quando i nuclei di piombo si scontrano frontalmente, entra in gioco la forza nucleare forte e finiscono per distruggersi completamente. Ma molto più spesso i nuclei si sfiorano appena, influenzandosi solo tramite la forza elettromagnetica.

L’intensità di un campo elettrico diminuisce rapidamente allontanandosi da un oggetto carico (come un protone). Ma a distanze brevissime, anche una piccola carica può generare un campo fortissimo.

Così, quando due nuclei di piombo si sfiorano, il campo elettrico tra di loro diventa enorme. Il rapido cambiamento del campo fa vibrare i nuclei, che a volte espellono alcuni protoni. Se un nucleo ne perde esattamente tre, il piombo si è trasformato in oro.

Contare i protoni

Ma come si fa a sapere se un atomo di piombo è diventato oro? Nell’esperimento ALICE, i fisici usano speciali rivelatori chiamati calorimetri a zero gradi per contare i protoni strappati via dai nuclei di piombo.

Non possono osservare direttamente i nuclei d’oro, quindi ne deducono l’esistenza in modo indiretto.

I ricercatori di ALICE hanno calcolato che, durante le collisioni tra fasci di nuclei di piombo, producono circa 89.000 nuclei d’oro al secondo. Hanno anche osservato la formazione di altri elementi: tallio (quando il piombo perde un protone) e mercurio (quando ne perde due).

Un fastidio alchemico

Una volta che un nucleo di piombo si è trasformato perdendo protoni, non è più sulla traiettoria perfetta che lo mantiene in circolazione nel tubo a vuoto del Large Hadron Collider. In pochi microsecondi, finirà per colpire le pareti.

Questo effetto riduce gradualmente l’intensità del fascio. Quindi, per gli scienziati, la produzione d’oro nel collider è più un fastidio che una benedizione.

Tuttavia, comprendere questa alchimia accidentale è essenziale per interpretare correttamente gli esperimenti—e per progettare quelli ancora più grandi del futuro.