Trasformano il piombo in oro, ma solo per una frazione di secondo

Gli scienziati del CERN sono riusciti a trasformare il piombo in oro, anche se solo per una frazione di secondo. Negli esperimenti con il rilevatore di particelle ALICE del Large Hadron Collider (LHC), il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo, gli scienziati hanno fatto collidere gli ioni di questo metallo a velocità elevatissime, producendo piccole quantità di oro – quantità estremamente piccole, in verità, pari a un totale di circa 29 picogrammi, l’equivalente di un miliardesimo di migrammo di oro.

“La trasmutazione del piombo in oro è il sogno degli alchimisti medievali che si realizza all’LHC” dicono gli studiosi in un articolo pubblicato sul Physical Review Journals, in cui spiegano la scienza dietro questa trasformazione. Alla base, la differenza fondamentale tra piombo e oro: un atomo di piombo contiene esattamente tre protoni in più di un atomo di oro, motivo per cui è possibile creare un atomo di oro sottraendo tre protoni dal nucleo del piombo.

Questa “estrazione” è però più facile a dirsi che a farsi, perché le particelle del nucleo sono tenute insieme da una forza molto intensa, chiamata forza nucleare forte. In altre parole, per sottrarre protoni da un nucleo di piombo è necessario un campo elettrico estremamente potente, che è circa un milione di volte più intenso dei campi elettrici che creano i fulmini nell’atmosfera. Gli scienziati hanno creato questo campo sparando fasci di ioni piombo l’uno contro l’altro a velocità incredibilmente elevate, quasi la velocità della luce.

Come avviene la trasformazione del piombo in oro

Trasformare il piombo in oro non è più, da tempo, solo un sogno da alchimisti: con l’avvento della fisica nucleare, si è scoperto che alcuni elementi pesanti possono trasformarsi in altri elementi, sia naturalmente, per decadimento radioattivo, sia in laboratorio, sotto il bombardamento di neutroni e protoni. I ricercatori del CERN sono però riusciti a compiere la trasformazione utilizzando un meccanismo tutto nuovo, che ha innescato l’espulsione di tre protoni dal nucleo del piombo, convertendolo in un nucleo di oro.

Ciò si è verificato quando i nuclei di due fasci di ioni piombo, accelerati in direzioni opposte all’interno dell’LHC, si sfiorano anziché collidere frontalmente: l’intenso campo elettromagnetico che circonda gli ioni crea un impulso di energia sotto forma di fotoni, che innesca l’espulsione di tre protoni da un nucleo di piombo, trasformandolo in un nucleo d’oro.

Illustrazione di due fasci di ioni di piombo (208 Pb) che passano vicini l’uno all’altro senza collidere: nel processo di dissociazione elettromagnetica, un fotone che interagisce con un nucleo di piombo può promuovere oscillazioni della sua struttura interna, provocando l’espulsione di un piccolo numero di neutroni (due) e protoni (tre), diventando un nucleo di oro (203 Au) / Credit: CERN

In questo processo di “trasmutazione nucleare elettromagnetica”, i ricercatori hanno calcolato di aver prodotto oro a una velocità massima di circa 89.000 nuclei al secondo: in particolare, dal conteggio del numero di interazioni fotone-nucleo con i calorimetri a zero gradi (ZDC) del rivelatore ALICE, è emerso che nei quattro principali esperimenti del Run 2 dell’LHC (2015-2018) stati creati circa 86 miliardi di nuclei d’oro, pari a 29 picogrammi di oro (2.9 × 10^-11 g).

La maggior parte di questi nuclei,  instabili e veloci, sarebbe esistita per circa 1 microsecondo prima di scontrarsi contro le pareti dell’apparato sperimentale o frammentarsi in altre particelle. “Grazie alle capacità uniche degli ZDC di ALICE, l’attuale analisi è la prima a rilevare e analizzare sistematicamente la firma della produzione di oro presso l’LHC a livello sperimentale – hanno precisato i ricercatori del CERN – . I risultati testano e migliorano anche i modelli teorici della dissociazione elettromagnetica che, oltre al loro interesse intrinseco per la fisica, vengono utilizzati per comprendere e prevedere le perdite di un fascio di ioni, che rappresentano un limite importante per le prestazioni dell’LHC e dei futuri acceleratori”.