點(diǎn)石成金終于實(shí)現(xiàn)了！歐洲核子研究中心成功實(shí)現(xiàn)了鉛變金煉金術(shù)

如果告訴你核物理學(xué)家已實(shí)現(xiàn)千年煉金士的終極夢(mèng)想，將鉛變成了黃金，你會(huì)相信嗎？更令人震驚的是，這些金在產(chǎn)生后立即化為微塵！這并非科幻情節(jié)，而是2025年5月，歐洲核子研究中心（CERN）的ALICE合作組公布的驚人成果——科學(xué)家們通過大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）內(nèi)的超高速鉛核碰撞，成功實(shí)現(xiàn)了"鉛變金"的現(xiàn)代煉金術(shù)。

中世紀(jì)煉金術(shù)士窮盡手段只為將廉價(jià)鉛化作珍貴黃金，但直到核物理誕生，這一夢(mèng)才有了實(shí)現(xiàn)的可能。2025年5月，CERN的ALICE合作組公布：在2015–2018年
LHC第二運(yùn)行期間，通過高速鉛—鉛近擦碰撞，共生成約860億個(gè)金核，質(zhì)重僅29皮克克拉姆，隨后金核即撞擊管壁瞬間解體，卻憑借ALICE的高靈敏度探測(cè)器記錄完整。這項(xiàng)成果不僅讓"鉛變金"成為現(xiàn)實(shí)，更為研究重離子電磁解離機(jī)制提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)范本。

為什么科學(xué)家能做到煉金術(shù)士夢(mèng)寐以求卻永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化？答案隱藏在原子核深處，而揭示這一奧秘的關(guān)鍵，正是人類有史以來建造的最龐大科學(xué)裝置——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

人類對(duì)元素轉(zhuǎn)化的癡迷可追溯至幾千年前。古埃及人嘗試用各種礦物和神秘材料將"卑金屬"變?yōu)辄S金，后來的阿拉伯和歐洲煉金術(shù)士更是將此視為終極追求。事實(shí)上，古代學(xué)者觀察到鉛與金的同等體積下的重量差不多，所以就臆測(cè)可通過"凈化"移除鉛中的雜質(zhì)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。但化學(xué)方法對(duì)此無能為力，因?yàn)樵匦再|(zhì)取決于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，而常規(guī)化學(xué)反應(yīng)只涉及電子層變化，無法改變?cè)雍恕?/p>

直到1919年，盧瑟福首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)——用α粒子轟擊氮原子核，成功將其轉(zhuǎn)變?yōu)檠鹾恕＿@一里程碑實(shí)驗(yàn)證明：在適當(dāng)條件下，元素確實(shí)可以轉(zhuǎn)化。然而，自然界的核轉(zhuǎn)變遠(yuǎn)早于人類實(shí)驗(yàn)。超新星爆發(fā)和中子星碰撞等極端環(huán)境中，重元素正是通過原子核的劇烈轉(zhuǎn)變而形成。

20世紀(jì)初，核物理揭示：重核可在放射性衰變或中子轟擊下自發(fā)"轉(zhuǎn)子"，如放射性同位素衰變生成鉛、金等。早在1941年，美國(guó)物理學(xué)家曾用中子轟擊汞，成功獲得微量黃金，但產(chǎn)量極低且過程復(fù)雜，遠(yuǎn)非實(shí)用技術(shù)。

然而，ALICE團(tuán)隊(duì)采用了一種全新機(jī)制——超高能重離子近擦碰。當(dāng)兩個(gè)鉛核以接近光速相遇卻不直接碰撞，其超強(qiáng)電磁場(chǎng)足以激發(fā)對(duì)方核內(nèi)質(zhì)子和中子逸出，脫核后鉛核減去3個(gè)質(zhì)子即瞬間變?yōu)榻鸷恕?br/>

這種電磁解離機(jī)制，將核物理中的"元素轉(zhuǎn)化"由自然或中子轟擊擴(kuò)展到重離子碰撞領(lǐng)域。與傳統(tǒng)核反應(yīng)不同，電磁解離無需粒子直接命中原子核，而是通過"隔空"電磁相互作用實(shí)現(xiàn)核子剝離——就像兩列高速列車交錯(cuò)而過產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流足以吹走對(duì)方車頂?shù)难b飾物。

這一機(jī)制首次被理論預(yù)言于20世紀(jì)70年代，但直到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)這樣的巨型加速器出現(xiàn)，科學(xué)家才能創(chuàng)造出足夠強(qiáng)大的電磁場(chǎng)驗(yàn)證這一理論。值得注意的是，鉛-208僅損失3個(gè)質(zhì)子變?yōu)榻?197，這一過程比傳統(tǒng)的放射性衰變或聚變過程要溫和得多，卻能以驚人的效率實(shí)現(xiàn)元素轉(zhuǎn)變。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)的奇跡，其27公里環(huán)形隧道內(nèi)，粒子被加速至幾乎光速。在LHC中的鉛—鉛束流，速度高達(dá)光速的99.999993%，兩束流在ALICE探測(cè)器處發(fā)生近擦碰。

這種近擦碰與通常研究的中央碰撞有本質(zhì)區(qū)別。中央碰撞會(huì)使兩核直接相撞，產(chǎn)生夸克-膠子等離子體；而近擦碰時(shí)，核與核并不直接重疊，僅電荷產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)相互作用，將能量注入對(duì)方核內(nèi)。

在接近光速時(shí)，洛倫茲收縮效應(yīng)使電磁場(chǎng)強(qiáng)度放大約25,000倍，達(dá)到驚人的1023伏特/米——這是地球上自然環(huán)境中最強(qiáng)電磁場(chǎng)的10?倍！如此強(qiáng)大的場(chǎng)強(qiáng)足以撼動(dòng)原子核內(nèi)的強(qiáng)核力束縛，使部分質(zhì)子和中子逃逸，從而改變核的身份。

金核生成后會(huì)飛向管壁并碎裂，產(chǎn)生高能質(zhì)子與中子。ALICE團(tuán)隊(duì)使用零度量熱計(jì)，專門探測(cè)沿束流方向飛出的孤立中子與質(zhì)子，通過計(jì)數(shù)"裸核"泄出粒子數(shù)精確反推生成何種新核，被稱為"粒子級(jí)煉金術(shù)"。

ALICE探測(cè)器系統(tǒng)堪稱現(xiàn)代科技奇觀，其18米高、16米長(zhǎng)、16米寬的龐大裝置內(nèi)，集成了18個(gè)子探測(cè)器，能以微米級(jí)精度追蹤粒子軌跡。ZDC探測(cè)器位于碰撞點(diǎn)兩側(cè)116米處，正好處于未發(fā)生碰撞的"旁觀者"中子前進(jìn)路徑上，可精確測(cè)量這些中性粒子的能量。

探測(cè)過程堪稱與時(shí)間賽跑：金核生命期僅為皮秒級(jí)，ZDC探測(cè)器必須在這一轉(zhuǎn)瞬即逝的瞬間，捕捉到特征輻射信號(hào)并將其區(qū)分出來。這需要每秒處理超過40TB的原始數(shù)據(jù)，相當(dāng)于同時(shí)觀看16,000部高清電影的信息量！

結(jié)合ZDC統(tǒng)計(jì)與模擬，ALICE團(tuán)隊(duì)計(jì)算出Run 2期間共產(chǎn)生約86×10?金核，對(duì)應(yīng)質(zhì)量約29×10?12克；換算成傳統(tǒng)金衡制，僅為0.0000000000094盎司，按當(dāng)前金價(jià)計(jì)算價(jià)值約不足千分之一美分。

盡管質(zhì)量微不足道，但產(chǎn)生速率令人印象深刻。金核最大產(chǎn)量可達(dá)8.9×10?個(gè)/秒，這遠(yuǎn)超過任何傳統(tǒng)核反應(yīng)能達(dá)到的轉(zhuǎn)化效率。然而，這些珍貴的金核隨后迅速粉碎成質(zhì)子、中子等基本粒子，生命期僅幾皮秒級(jí)別，來不及被收集利用就已灰飛煙滅。

ALICE的分析不僅確認(rèn)了金核的生成，還同步測(cè)量了汞與鉈同類產(chǎn)物。這些發(fā)現(xiàn)共同構(gòu)成了對(duì)電磁解離機(jī)制的全面驗(yàn)證，揭示出不同剝離通道的幾率分布。

當(dāng)兩個(gè)鉛-208核近擦碰時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)誘導(dǎo)多種反應(yīng)路徑。最主要的金核形成途徑是：

鉛-208失去3個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子→金-197

鉛-208失去3個(gè)質(zhì)子和9個(gè)中子→金-196

鉛-208失去3個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子→金-198

通過精確能量分析，ALICE團(tuán)隊(duì)識(shí)別出這三條主要通道，其中金-197的產(chǎn)量最高，探測(cè)到總數(shù)約860億個(gè)，產(chǎn)率最高時(shí)約89,000個(gè)/秒。這與理論預(yù)期相符，因?yàn)榻?197是自然界中唯一穩(wěn)定的金同位素。

除金核外，ALICE同時(shí)記錄到更豐富的"煉金"產(chǎn)物：

汞核（Hg-）：由鉛-208失去2個(gè)質(zhì)子形成，主要同位素為汞-204至汞-206

鉈核（Tl-）：由鉛-208失去1個(gè)質(zhì)子形成，主要同位素為鉈-207

這些元素分別由去除2個(gè)或1個(gè)質(zhì)子生成，產(chǎn)量相對(duì)更高，但這些"煉金"副產(chǎn)品同樣瞬間解體，只有金核極其稀有。通過測(cè)量不同產(chǎn)物的相對(duì)產(chǎn)量比，科學(xué)家們可以精確驗(yàn)證理論模型對(duì)不同剝離通道的預(yù)測(cè)。

這些短命金核生成后立刻撞擊探測(cè)器內(nèi)壁，解體為更輕粒子，其特征信號(hào)在ALICE記錄中清晰顯現(xiàn)，完美還原"金生金毀"全過程。一個(gè)典型的金核從形成到解體，整個(gè)生命歷程不足10?11秒，卻在這短暫時(shí)光中完成了元素身份的轉(zhuǎn)變。

ALICE團(tuán)隊(duì)的計(jì)算表明，如果能收集LHC運(yùn)行期間產(chǎn)生的所有金核（這在技術(shù)上不可能實(shí)現(xiàn)），總量大約為29皮克，肉眼完全無法分辨。這也解釋了為何我們無法用這種方式"制造"宏觀數(shù)量的黃金——能量投入與產(chǎn)出嚴(yán)重不成比例，違背能量守恒原理。

本實(shí)驗(yàn)最直接的科學(xué)貢獻(xiàn)是全面驗(yàn)證了電磁解離理論模型。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，強(qiáng)電磁場(chǎng)足以觸發(fā)重核的多核子剝離反應(yīng)，為理論模型提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)精確到可區(qū)分單核子剝離與多核子剝離的幾率比，為核反應(yīng)數(shù)據(jù)庫增添了珍貴參考。

在這過程中，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)古老夢(mèng)想，同時(shí)開辟了核物理研究的新領(lǐng)域。那些轉(zhuǎn)瞬即逝的金核，雖因質(zhì)量微小而無法成為珍寶，卻因其科學(xué)價(jià)值而彌足珍貴——它們是人類智慧與探索精神的真正結(jié)晶，比任何實(shí)物黃金都更加閃耀。