ALICE detecta la conversión de plomo en oro en el gran colisionador de hadrones
Convertir plomo en oro dejó de ser solo un sueño alquímico: físicos del CERN han logrado esta transmutación usando colisiones de alta energía. Lo que parecía imposible con química, hoy es una realidad científica —aunque fugaz y microscópica.
Por Enrique Coperías
Imagen del detector ALICE. Cortesía: CERN
Transformar el metal corriente plomo en el metal precioso oro fue durante siglos el sueño de los alquimistas medievales. Esta antigua ambición, conocida como crisopoeia, pudo estar inspirada por la observación de que el plomo, de color gris opaco y relativamente abundante, posee una densidad similar a la del oro, altamente valorado por su tonalidad brillante y su rareza.
Derivada del griego khrusos, oro; y poiein, hacer, la voz crisopoeia literalmente significa hacer oro. Esta idea central de la alquimia no solo tenía un propósito material, como alcanzar riqueza, sino también simbólico y espiritual: lograr la perfección de la materia y del alma.
No fue sino hasta mucho después que los químicos comprendieron que el plomo y el oro son elementos químicos distintos, y que los métodos químicos no pueden lograr su transmutación.
El oro y la física nuclear: ¿ficción o realidad científica?
Con el auge de la física nuclear en el siglo XX, se descubrió que los elementos pesados pueden transformarse en otros, ya sea por desintegración radiactiva natural o mediante técnicas de laboratorio, como el bombardeo con neutrones o protones.
Aunque el oro artificial ya se había generado de este modo, la colaboración ALICE ha medido ahora la transmutación del plomo en oro a través de un novedoso mecanismo basado en colisiones nucleares ultrarrápidas en el gran colisionador de hadrones (LHC). Ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear —el famoso CERN—, cerca de Ginebra, este es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe y la máquina más grande construida por el ser humano en el mundo.
Recordemos que la colaboración ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es uno de los grandes experimentos del LHC, cuyo principal objetivo es estudiar las colisiones de iones pesados, como las de plomo, para investigar el plasma de quark-gluón, un estado de la materia que existió brevemente tras el big bang.
En el experimento ALICE del gran colisionador de hadrones la magia alquimista es posible: el oro se convierte en plomo. Cortesía: CERN
Cómo el LHC convierte plomo en oro
Estas colisiones de alta energía entre núcleos de plomo en el LHC pueden generar plasma de quark-gluón, un estado extremadamente caliente y denso de la materia, que se cree llenó el universo una millonésima de segundo después de nacer, lo que dio origen a la materia conocida. Sin embargo, en interacciones más comunes donde los núcleos no chocan directamente, los intensos campos electromagnéticos que los rodean inducen interacciones fotón-fotón y fotón-núcleo, lo que abre nuevas vías de investigación.
El campo electromagnético de un núcleo de plomo, que contiene 82 protones con carga elemental, es especialmente intenso. A su vez, la altísima velocidad de los núcleos en el LHC —el 99,999993% de la velocidad de la luz— aplasta sus líneas de campo en una fina capa perpendicular al movimiento, lo que genera un pulso fugaz de fotones.
Esto puede activar un fenómeno conocido como disociación electromagnética, en el que un fotón excita el núcleo y provoca la expulsión de neutrones y protones. Para formar oro (con 79 protones), es necesario extraer tres protones del núcleo de plomo.
Cómo el LHC convierte plomo en oro
«Es impresionante ver cómo nuestros detectores pueden registrar colisiones frontales que producen miles de partículas y, al mismo tiempo, identificar aquellas en las que se generan solo unas pocas, lo que permite estudiar raros procesos de transmutación nuclear», comenta Marco Van Leeuwen, portavoz de ALICE.
El equipo de ALICE utilizó los calorímetros de grado cero (ZDC) para contar las interacciones fotón-núcleo que resultaron en la emisión de cero, uno, dos o tres protones, junto con al menos un neutrón, lo cual está asociado a la producción de plomo, talio, mercurio y oro, respectivamente.
Aunque la creación de oro es menos frecuente que la de talio o mercurio, los datos muestran que el LHC produce hasta 89.000 núcleos de oro por segundo en el punto de colisión de ALICE. Estos núcleos emergen con alta energía, que impactan en los colimadores del gran colisionador de hadrones, donde se fragmentan en partículas individuales. El oro existe solo durante una fracción de segundo.
Una colisión ultraperiférica en la que los dos haces de iones de plomo (208Pb) del LHC pasan cerca uno del otro sin colisionar. En el proceso de disociación electromagnética, un fotón que interactúa con un núcleo puede excitar oscilaciones de su estructura interna y provocar la eyección de un pequeño número de neutrones (dos) y protones (tres), dejando atrás el núcleo de oro (203Au). Crédito: CERN
Resultados: ¿cuánto oro se ha creado realmente?
Durante el Run 2 del LHC (2015-2018), se generaron unos 86.000 millones de núcleos de oro en los cuatro principales experimentos. Esto equivale a apenas 29 picogramos (2,9 ×10⁻¹¹ g). Aunque el LHC ha aumentado su luminosidad con mejoras constantes, incluso el experimento 3, que casi duplicó la producción respecto al experimento 2, produjo cantidades minúsculas, muy lejos de lo necesario para fabricar una joya.
Así, aunque el sueño de los alquimistas se ha hecho técnicamente realidad, su anhelo de riqueza sigue sin cumplirse.
«Gracias a las capacidades únicas de los calorímetros de grado cero del ALICE, este análisis es el primero en detectar y estudiar sistemáticamente la señal de producción de oro en el LHC», afirma Uliana Dmitrieva, física del experimento ALICE.
«Los resultados también validan y mejoran los modelos teóricos de disociación electromagnética, que no solo tienen valor en la física fundamental, sino que también ayudan a comprender y predecir las pérdidas de haz, un factor crucial para el rendimiento del LHC y futuros aceleradores de partículas», añade John Jowett, también del ALICE. ▪️
Información facilitada por el CERN
