近日，发表于《物理评论期刊》的一篇论文中，ALICE合作项目公布了在欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)上对铅转化为金进行量化测量的研究成果，这一研究为相关物理领域带来了新进展。

ALICE 探测器图片(图片来源：CERN)

将铅转化为金曾是中世纪炼金术士梦寐以求之事，即所谓的“金炼”探索。铅为暗灰色且相对丰富，密度与黄金相近，而黄金因色泽美丽、稀有备受追捧，早期人们曾试图通过化学方法实现两者转化，直至后来才明白铅和金是不同化学元素，化学方法无法达成此目标。

20世纪核物理学兴起后，人们发现重元素可通过放射性衰变自然转化为其他元素，也可在实验室通过中子或质子轰击转化为其他元素。此前虽有人工生产黄金的尝试，但ALICE合作项目此次在LHC上，借助铅原子核近距碰撞的新机制，对铅转化为金的过程进行了测量。

在LHC中，铅原子核间极高能碰撞可产生夸克胶子等离子体，这是一种炽热致密物质状态，据信在大爆炸后约百万分之一秒内充满宇宙，形成如今我们所知的物质。不过，原子核间更频繁的相互作用是错开而非“接触”，此时它们周围的强电磁场会诱发光子与光子、光子与原子核间的相互作用，为探索开辟新途径。

铅原子核电磁场特别强，因其包含82个质子，每个质子携带一个基本电荷。且铅原子核在LHC中运动速度极高(达光速的99.999993%)，使电磁场线被压成与运动方向垂直的薄饼状，产生短暂光子脉冲，通常会触发电磁离解过程，即光子与原子核相互作用激发其内部结构振荡，导致少量中子和质子喷出。要制造金(含79个质子的原子核)，需在LHC光束中从铅原子核移除三个质子。

ALICE发言人Marco Van Leeuwen表示：“我们的探测器既能处理产生数千个粒子的正面碰撞，又能对一次只产生少量粒子的碰撞敏感，从而可研究罕见的电磁‘核嬗变’过程，令人印象深刻。”

ALICE团队利用探测器的零度量热器(ZDC)计算了光子与原子核相互作用数量，这些相互作用导致发射零个、一个、两个和三个质子并伴随至少一个中子，分别与铅、铊、汞和金的生成有关。尽管生成铊或汞的频率低于生成金，但结果显示，目前LHC在ALICE碰撞点通过铅 - 铅碰撞生成金的最高速率约为每秒89000个原子核。金原子核以极高能量从碰撞中逸出，在下游各点撞击LHC的光束管或准直器后立即碎裂成单个质子、中子和其他粒子，金的存在时间极短。

ALICE分析表明，在LHC第二次运行(2015 - 2018)期间，四项主要实验共产生约860亿个金原子核，按质量计算仅相当于29皮克(2.9×10?¹¹克)。由于LHC定期升级、亮度提升，第三次运行产生的黄金量几乎是第二次运行的两倍，但总量仍比制造一件珠宝所需量少数万亿倍。这意味着，尽管中世纪炼金术士的梦想在技术上已实现，但他们致富的希望再次破灭。

ALICE合作项目的Uliana Dmitrieva称：“得益于ALICE ZDC的独特功能，本次分析首次通过实验系统地检测和分析了LHC中金生产的特征。”

ALICE合作项目的John Jowett补充道：“研究结果还测试并改进了电磁解离的理论模型，这些模型除内在物理意义外，还用于理解和预测光束损失，而光束损失是限制LHC和未来对撞机性能的主要因素。”