طلای لحظه‌ای از سرب: کشف کیمیاگری مدرن در برخورددهنده هادرونی

1

در اعماق مرز فرانسه و سوئیس، دستگاه عظیم ۲۷ کیلومتری برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) معمولاً یون‌های سنگین را با سرعتی نزدیک به نور به یکدیگر می‌کوبد. اما در تاریخ ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۵، پژوهشگران پدیده‌ای گزارش دادند که تا پیش از این بیشتر شبیه به افسانه به نظر می‌رسید: یون‌های سرب برای مدت بسیار کوتاهی به طلا تبدیل شدند، سپس دوباره به ماده‌ای عادی برگشتند.

تحلیل‌ها نشان می‌دهد که تنها یک برخورد از یون‌های سرب می‌تواند هسته‌هایی از طلا تولید کند، آن هم با ضریبی برابر با نرخ کلی برخوردهای هادرونی. این موضوع باعث شده پدیده‌ای که به «کیمیاگری مدرن» معروف شده، در تونل LHC بسیار رایج‌تر از آن‌چه پیش‌بینی می‌شد باشد.

آزمایش ALICE و برخوردهای تمیز

رویکرد متفاوت تیم دانشگاه کانزاس

دانیل تاپیا تاکاکی، استاد فیزیک دانشگاه کانزاس و رهبر تیم آزمایش ALICE، می‌گوید:
«معمولاً در آزمایش‌های برخورددهنده، ذرات را به‌گونه‌ای به هم می‌کوبیم که تکه‌پاره‌های زیادی تولید شود. اما ما روش جدیدی توسعه دادیم که بررسی می‌کند وقتی یون‌ها فقط به یکدیگر نزدیک می‌شوند چه اتفاقی می‌افتد – برخوردی بسیار تمیز که در آشکارسازها تنها یک نور و یک هسته‌ی تغییر یافته دیده می‌شود.»

لحظه‌ای طلایی از سرب

برخوردهای فراپیرامونی چگونه طلا تولید می‌کنند؟

برخوردهای فراپیرامونی زمانی رخ می‌دهند که دو هسته اتمی به هم نزدیک می‌شوند، اما تماس مستقیم ندارند. با این حال، میدان‌های الکترومغناطیسی قدرتمند آن‌ها با هم برهم‌کنش می‌کنند.

در این نوع برخورد، هر یون با بارانی از فوتون‌های پرانرژی، یون مقابل را بمباران می‌کند. این فرآیند می‌تواند باعث شود یک، دو یا سه پروتون از هسته خارج شود.

اگر سه پروتون از دست برود، هسته‌ی سرب-۲۰۸ به‌طور موقتی به طلا-۲۰۵ تبدیل می‌شود – رویای کیمیاگران، البته تنها برای ۱۰⁻²³ ثانیه. همین مدت بسیار کوتاه کافی است تا سیگنالی در آشکارسازهای کالوریمتریِ جلو به‌جا بگذارد.

داده‌های قبلی چه می‌گفتند؟

آزمایش‌های قبلی ALICE اشاره‌هایی به وقوع چنین برخوردهای تمیزی داشتند، اما آشکارساز بیشتر برای برخوردهای شدید طراحی شده بود. تیم تاکاکی خوانش‌ها را تنظیم مجدد کرد، سیستم‌های حذف اختلال اضافه کرد و از روش دو مرحله‌ای برای جداسازی قله‌های نوترون و پروتون استفاده کرد.

برخوردهای نزدیک، چه چیزی آشکار می‌کنند؟

محیطی تمیز برای بررسی‌های دقیق‌تر

از آنجا که فوتون‌ها بار خالص ندارند، برخوردهای فوتون-فوتون یا فوتون-هسته بدون آلودگی آوارهای هادرونی هستند. این پاکی، امکان بررسی دقیق ساختار هسته و آزمایش الکترودینامیک کوانتومی (QED) در مقیاس‌هایی فراتر از قبل را فراهم می‌کند.

نتایج مهم آزمایش کانزاس

تجزیه‌وتحلیل جدید، سطح مقطع تولید طلا را ۶.۸ بارن اندازه‌گیری کرد – تنها ۱۲ درصد کمتر از نرخ کلی برخوردهای غیرالاستیک سرب-سرب (۷.۶۷ بارن).

به عبارت دیگر، هر بار که LHC یک برخورد هادرونی از یون‌ها ثبت می‌کند، به احتمال زیاد یک رویداد دیگر نیز نزدیک آن رخ می‌دهد که در آن، یون سرب بی‌صدا به طلا تبدیل شده و سپس تجزیه می‌شود.

جزئیات بیشتر از کانال‌های پروتونی

• کانال بدون پروتون: ۱۵۷.۵ بارن
• کانال یک پروتون: ۴۰.۴ بارن
• کانال دو پروتون: ۱۶.۸ بارن

این نتایج با پیش‌بینی‌های نظری مدل فوتونوکلئونی RELDIS تا حدود ۲۵ درصد مطابقت دارند.

تفاوت‌ها در داده‌ها نشان می‌دهد که مدل‌های فعلی در توصیف گسیل پیش‌تعادلی و هم‌جوشی نوکلئون‌ها در کانال‌های تک پروتونی دقت کافی ندارند.

رهگیری کیمیاگری با سرعت نور

بررسی دقیق داده‌ها

تیم ALICE از کالوریمترهای صفر درجه، واقع در فاصله ۱۱۲ متری از نقطه برخورد، برای ثبت قطعات باردار و خنثی استفاده می‌کند.

تیم دانشگاه کانزاس، تنها رویدادهایی را بررسی کرد که انرژی پروتون در آن‌ها در محدوده دو انحراف معیار از انرژی پرتو بود و حداقل یک نوترون نیز در کالوریمتر نوترون مجاور ثبت شده بود. نتیجه آن، استخراج ۲ میلیون رویداد از ۲.۰۵ میلیون تحریک بود.

پالایش نتایج با شبیه‌سازی

شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو با استفاده از کدهای RELDIS و AAMCC-MST نشان دادند که برخوردهای هادرونی جعلی کمتر از یک درصد در نمونه‌های تک پروتونی تأثیر دارند، و در نتیجه سیگنال واقعی از برخوردهای فوتونی تقریباً خالص باقی می‌ماند.

مدل گوسی اصلاح‌شده با در نظر گرفتن تعداد پروتون‌ها برای پهن‌شدگی سیگنال، اکنون توسط سایر گروه‌های تحقیقاتی نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

اهمیت این یافته‌ها برای شتاب‌دهنده‌های آینده

چالش‌های فنی در برخورددهنده‌های نسل بعد

خارج شدن سه پروتون، سرب را به طلا تبدیل می‌کند. اما حتی حذف یک پروتون نیز یون را به تالیوم تبدیل می‌کند که در میدان مغناطیسی LHC انحراف متفاوتی دارد.

پرتوهای ثانویه کنترل‌نشده می‌توانند به قطعات سرد برخورد کرده، آهن‌رباهای ابررسانا را از کار بیندازند یا سامانه‌های ایمنی را فعال کنند. چنین مشکلاتی ممکن است عملکرد ارتقای ۲۷ تراالکترون‌ولتی آینده یا برخورددهنده مدور ۱۰۰ کیلومتری پیشنهادی را محدود کنند.

کاربرد عملی در طراحی ایمن‌تر

اندازه‌گیری کامل کانال‌های ۰ تا ۳ پروتونی توسط تیم ALICE، اطلاعات حیاتی برای طراحی سپرهای محافظ و نقشه‌برداری از مسیرهای اتلاف پرتو فراهم می‌کند.

این داده‌ها همچنین در شبیه‌سازی برخورددهنده الکترون–یون آمریکا (EIC) برای غربال‌گری پس‌زمینه در اندازه‌گیری‌های دقیق استفاده می‌شود.

فراتر از طلا؛ عناصر دیگر

کاربردهای متنوع برخوردهای نزدیک

این نوع برخوردها می‌توانند عناصر دیگری نظیر جیوه، تالیوم یا ایزوتوپ‌های پلاتین تولید کنند – هرکدام با مسیرهای واپاشی منحصربه‌فرد و اطلاعات علمی ارزشمند.

مطالعات پراکندگی نور از نور، جستجو برای ذرات شبه‌اکسیون و بررسی‌های تحریک هسته‌ای نیز از این برخوردهای تمیز و دقیق بهره‌مند می‌شوند.

تاپیا تاکاکی اشاره می‌کند که این مطالعات برای طراحی نسل بعدی ماشین‌ها بسیار حیاتی‌اند، چراکه هر یون از دست رفته در پرتو، روزها زمان و مقدار زیادی پول عملیاتی هزینه دارد.

گام بعدی در فیزیک طلا

آینده‌ی پژوهش در ALICE

تیم تحقیقاتی قصد دارد تحلیل‌ها را به گسیل چهار و پنج پروتون گسترش دهد و حساسیت را به سمت هسته‌هایی مانند هافنیم و تانتالیم پیش ببرد.

همکاری نزدیکی با نظریه‌پردازان برای اصلاح مدل‌های فوتونوکلئونی در جریان است تا نسبت نوترون به پروتون بهتر با مشاهدات هم‌خوانی پیدا کند.

استفاده از یادگیری ماشینی در لحظه

یک سامانه تریگر اختصاصی برای برخوردهای فراپیرامونی در حال توسعه است که منطق فعلی کالوریمتر را با فیلترهای یادگیری ماشینی لحظه‌ای ترکیب می‌کند. هدف آن، ثبت این رخدادهای نادر بدون از کار انداختن سامانه‌های داده‌برداری است.

اگر موفق شود، فیزیک‌دانان می‌توانند کیمیاگری مدرن را تقریباً در لحظه تماشا کنند – حتی شاید ایزومرهای پایدارتر را پیش از واپاشی شناسایی کنند.