Físicos nucleares que trabalham no Grande Colisor de Hádrons recentemente ganharam destaque ao alcançar o sonho de séculos dos alquimistas (e pesadelo dos investidores em metais preciosos): Eles transformaram chumbo em ouro.
Pelo menos por uma fração de segundo. Os cientistas relataram seus resultados na Physical Reviews.
A conquista no Grande Colisor de Hádrons, o acelerador de partículas de 17 milhas enterrado sob a fronteira franco-suíça, ocorreu dentro de um detector sofisticado e sensível chamado ALICE, um instrumento científico com aproximadamente o tamanho de uma mansão.
Foi uma equipe da Universidade do Kansas, trabalhando no experimento ALICE, que desenvolveu a técnica para rastrear colisões “ultra-periféricas” entre prótons e íons que geraram ouro no LHC.
“Normalmente, em experimentos de colisores, fazemos as partículas colidirem entre si para produzir muitos detritos,” disse Daniel Tapia Takaki, professor de física e líder do grupo da KU no ALICE. “Mas nas colisões ultra-periféricas, estamos interessados no que acontece quando as partículas não se batem. Essas são quase colisões. Os íons passam perto o suficiente para interagir — mas sem tocar. Não há sobreposição física.”
Os íons que correm ao redor do túnel do LHC são núcleos pesados com muitos prótons, cada um gerando campos elétricos poderosos. Quando acelerados, esses íons carregados emitem fótons — eles emitem luz.
“Quando você acelera uma carga elétrica a velocidades próximas à da luz, ela começa a brilhar,” disse Tapia Takaki. “Um íon pode brilhar uma luz que essencialmente tira uma foto do outro. Quando essa luz é energética o suficiente, pode sondar profundamente dentro do outro núcleo, como um flash de alta energia.”
O pesquisador da KU afirmou que durante esses “flashes” de UPC, interações surpreendentes podem ocorrer, incluindo o evento raro que gerou atenção mundial.
“Às vezes, os fótons de ambos os íons interagem entre si — o que chamamos de colisões fóton-fóton,” disse ele. “Esses eventos são incrivelmente limpos, com quase nada mais produzido. Eles se contrastam com colisões típicas onde vemos chuvas de partículas voando em todas as direções.”
No entanto, o detector ALICE e o LHC foram projetados para coletar dados sobre colisões frontais que resultam em chuvas desordenadas de partículas.
“Essas interações limpas eram difíceis de detectar com as configurações anteriores,” disse Tapia Takaki. “Nosso grupo na KU pioneirou novas técnicas para estudá-las. Acumulamos essa experiência anos atrás, quando não era um assunto popular.”
Esses métodos permitiram a descoberta que fez as notícias, que a equipe do LHC transmutou chumbo em ouro momentaneamente através de colisões ultra-periféricas onde íons de chumbo perdem três prótons (transformando o pedacinho de chumbo em um pedacinho de ouro) por uma fração de segundo.
Os coautores do artigo da KU ao lado de Tapia Takaki são a estudante de pós-graduação Anna Binoy; o estudante de pós-graduação Amrit Gautam; o pesquisador de pós-doutorado Tommaso Isidori; a assistente de pesquisa de pós-doutorado Anisa Khatun; e o cientista de pesquisa Nicola Minafra.
A equipe da KU no experimento ALICE do LHC planeja continuar estudando as colisões ultra-periféricas. Tapia Takaki disse que, embora a criação de ouro tenha fascinado o público, o potencial de entender as interações é ainda mais profundo.
“Essa luz é tão energética que pode remover prótons do núcleo,” afirmou ele. “Às vezes um, às vezes dois, três ou até mesmo quatro prótons. Podemos ver esses prótons ejetados diretamente com nossos detectores.”
Cada próton removido altera os elementos: Um dá tálio, dois dão mercúrio, três dão ouro.
“Esses novos núcleos são muito efêmeros,” disse ele. “Eles decaem rapidamente, mas nem sempre imediatamente. Às vezes, eles viajam ao longo da linha de feixe e atingem partes do colisor — acionando sistemas de segurança.”
É por isso que essa pesquisa é importante além das manchetes.
“Com propostas para futuros colisor entre maiores que o LHC — alguns com até 100 quilômetros na Europa e na China — você precisa entender esses subprodutos nucleares,” disse Tapia Takaki. “Essa ‘alquimia’ pode ser crucial para projetar a próxima geração de máquinas.”
Esse trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Física Nuclear.
