Các nhà vật lý biến chì thành vàng trong một phần nhỏ giây

Sự va chạm của các chùm tia chì tạo ra những ion vàng có thời gian sống ngắn và chuyển động nhanh. Việc hiểu về quá trình này có thể giúp tinh chỉnh các thực nghiệm trên máy gia tốc hạt.

Giấc mơ của các nhà giả kim thế kỷ 17 đã thành hiện thực khi các nhà vật lý tại Cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC đã biến chì thành vàng – chỉ trong một phần nhỏ của một giây và ở mức chi phí khủng khiếp.

Sự chuyển đổi không có gì bí ẩn này đã xảy ra tại CERN,  nơi các các ion chì bị đập vỡ trên máy gia tốc LHC trị giá hang tỉ USD như một phần của mỗi thực nghiệm.

Ban đầu, các nhà hóa học hy vọng sẽ chuyển vô số ion chì thành vàng. Nhưng những khác biệt trong số lượng proton của các nguyên tố (82 với chì và 79 với vàng) khiến cho ý định này không thể thực hiện được bằng phương pháp hóa học.

Các nhà nghiên cứu tại CERN đã đạt được kỳ tích này bằng việc hướng các chùm tia chì vào nhau, di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Thi thoảng, các ion bay lướt qua nhau thay vì va chạm vào nhau. Khi điều này xảy ra, điện từ trường  cường độ cao quanh một ion có thể tạo ra một xung năng lượng đủ sức kích hoạt các hạt nhân chì trên đường tới để loại ba proton – chuyển hóa nó thành vàng.

Thực nghiệm ALICE trên LHC đã sàng lọc được những trường hợp biến đổi này từ vô số các mảnh vụn va chạm. Trong một phân tích được xuất bản trên Physical Review Journals, nhóm nghiên cứu đã tính toán rằng từ năm 2015 đến năm 2018, các va chạm tại LHC đã tạo ra 86 tỉ hạt nhân vàng — khoảng 29 phần nghìn tỉ gram. Phần lớn những nguyên tử vàng chuyển động nhanh này lại không bền, khi chỉ có thể tồn tại khoảng một phần micro giây trước khi bị tan thành từng mảnh để trở thành các hạt khác.

Vàng đã được tạo ra khi các chùm tia chì va chạm với nhau tại LHC nhưng ALICE là thực nghiệm duy nhất với máy dò được cài đặt để phát hiện quá trình này. Phân tích mới “là một tín hiệu tạo ra vàng được dò và phân tích một cách có hệ thống lần đầu tiên tại LHC về mặt thực nghiệm”, theo Uliana Dmitrieva, một nhà vật lý và thành viên của nhóm hợp tác ALICE.

Một máy gia tốc khác ở CERN mang tên SPS đã quan sát được sự thay đổi chì thành vàng vào năm 2002 đến năm 2004, theo Jiangyong Jia, một nhà vật lý tại ĐH Stony Brook New York.  Nhưng những thực nghiệm mới là ở những mức năng lượng cực cao, có xác suất tạo ra vàng cao hơn và khiến cho những quan sát thêm dễ dàng hơn, anh cho biết thêm.

Các nhà nghiên cứu CERN chưa có kế hoạch để tạo ra vàng như nghề tay trái nhưng cho rằng việc hiểu tốt hơn cách các photon có thể thay đổi hạt nhân sẽ giúp họ cải thiện hiệu suất của LHC. “Việc hiểu nhiều hơn về các quá trình này là cốt lõi cho kiểm soát chất lượng và độ bền của các chùm tia,” Jia nói.

Thanh Lan dịch từ Nature

Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-01484-3