Il Large Hadron Collider (LHC) ha trasmutato il piombo in oro in condizioni che richiedono energie ultrarelativistiche.
Gli antichi alchimisti ambivano a mutare l’umile piombo in oro, con un processo indicato come crisopea, un termine ritrovato nel titolo di un papiro conservato alla Biblioteca Marciana di Venezia.
Con l’avvento della fisica nucleare nel XX secolo, si è scoperto che gli elementi pesanti possono trasformarsi in altri, sia in modo naturale, attraverso il decadimento radioattivo, sia in laboratorio, mediante bombardamento con neutroni o protoni. Sebbene l’oro sia già stato prodotto artificialmente con tali metodi, la Collaborazione ALICE (presso il CERN di Ginevra, in Svizzera) ha ora misurato la trasmutazione con un nuovo meccanismo che coinvolge l’Ultra-Peripheral Collision (UPC) tra nuclei di piombo.
Le collisioni tra nuclei di piombo a energie estremamente elevate del Large Hadron Collider possono creare un plasma di quark e gluoni, uno stato della materia caldo e denso che si ritiene abbia pervaso l’universo circa un milionesimo di secondo dopo il Big Bang, dando origine alla materia ordinaria.
Nelle combinazioni ben più frequenti in cui i nuclei si sfiorano senza collidere direttamente, gli intensi campi elettromagnetici che li circondano possono indurre interazioni fotone-fotone e fotone-nucleo, aprendo nuove prospettive d’indagine sperimentale.
Il campo elettromagnetico prodotto da un nucleo di piombo è particolarmente intenso a causa della presenza di 82 protoni, ciascuno con una carica elementare. Inoltre, l’eccezionale velocità all’interno del Large Hadron Collider (pari al 99,999993% della velocità della luce) provoca la compressione delle linee del campo in una sottile struttura, simile ad un “pancake”, orientata trasversalmente rispetto alla direzione del moto, generando così un impulso fotonico di breve durata.
Tale rilascio innesca spesso un processo detto dissociazione elettromagnetica, in cui un fotone, interagendo con un nucleo, può eccitare oscillazioni nella sua struttura interna, provocando l’emissione di un numero limitato di neutroni e protoni.
Da un nucleo di piombo è necessario rimuovere tre protoni per ottenere un nucleo d’oro contenente 79 protoni.
Marco Van Leeuwen, portavoce della Collaborazione ALICE recentemente premiata con il Breakthrough Prize Awards, si è detto impressionato da come i rivelatori siano capaci di gestire collisioni frontali che originano migliaia di particelle, pur restando sufficientemente sensibili da rilevare eventi in cui se ne generano solo poche, permettendo lo studio di rari processi di “trasmutazione nucleare” elettromagnetica.
Il team di ALICE ha utilizzato i calorimetri a zero gradi (Zero Degree Calorimeters, ZDC) del rivelatore per contare il numero d’interazioni fotone-nucleo che hanno prodotto l’emissione di zero, uno, due o tre protoni accompagnati da almeno un neutrone.
Tali configurazioni sono associate rispettivamente alla produzione di piombo, tallio, mercurio e oro.
Sebbene meno frequente della produzione di tallio o mercurio, l’analisi dimostra che il grande anello (lungo 27 chilometri) a fasci collidenti del CERN produce attualmente oro a un tasso massimo di circa 89.000 nuclei al secondo, a partire da collisioni piombo-piombo. I nuclei d’oro emergono dalla collisione con energia molto alta e colpiscono il tubo del fascio del Large Hadron Collider o i collimatori in vari punti più a valle, dove si frammentano immediatamente in protoni singoli, neutroni e altre particelle.
L’oro ricavato esiste per una frazione infinitesimale di secondo.
Durante il Run 2 (2015-2018), sono stati creati circa 86 miliardi di nuclei d’oro nei quattro esperimenti principali. In termini di massa, questo dato corrisponde a soli 29 picogrammi (2,9 × 10⁻¹ g ). Poiché la luminosità dell’LHC è in continuo aumento, grazie ai regolari aggiornamenti, il Run 3 ha prodotto quasi il doppio dell’oro del Run 2, ma il totale ammonta ancora a trilioni di volte meno di quanto sarebbe necessario per un gioiello.
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Immagini e grafica: CERN / Frame da Breakthrough Prize Gala 2025
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