De oude alchemisten droomden ervan lood om te zetten in goud. Bij CERN is die droom in de praktijk uitgekomen, maar op een manier waar geen enkele goudsmid iets aan heeft. Het ALICE-experiment van de Large Hadron Collider heeft voor het eerst gemeten hoe loodkernen bij botsingen met bijna de lichtsnelheid in goud worden omgezet, waarbij minuscule hoeveelheden van dit edelmetaal worden gecreëerd die slechts een subatomaire zucht lang bestaan.
In cijfers is het resultaat zowel indrukwekkend als teleurstellend. Tijdens de tweede fase van de werking van de LHC tussen 2015 en 2018 werden ongeveer 86 miljard goudkernen gevormd. Vertaald naar iets dat we allemaal begrijpen, is dat ongeveer 29 picogram, oftewel 29 biljoenste gram, een hoeveelheid die zelfs met een microscoop onzichtbaar is. De huidige botsingen bereiken snelheden tot 89.000 goudkernen per seconde, maar toch zijn we nog ver verwijderd van het kunnen zien van een gouddeeltje in het laboratorium.
Wat wordt er precies in wat omgezet?
In het periodiek systeem is het fundamentele verschil tussen lood en goud heel eenvoudig. Lood heeft 82 protonen in zijn kern en goud 79. Als een loodkern drie protonen verliest, wordt het goud. Natuurkundige Ulrik Egede vat het heel duidelijk samen door uit te leggen dat het in theorie voldoende is om die drie protonen te verwijderen, maar hij herinnert eraan dat dit in de praktijk “niet eenvoudig” is.
Om dit te bereiken gebruiken wetenschappers geen magie, maar extreme elektrische velden. In de LHC worden bundels loodkernen versneld tot 99,999993 procent van de lichtsnelheid. Bij die snelheden wordt het elektromagnetische veld van elke kern samengeperst tot een soort zeer intense fotonenpuls. Wanneer twee kernen heel dicht langs elkaar schieten zonder frontaal te botsen, kunnen deze zogenaamde ultraperifere botsingen neutronen en protonen uit de kern die de klap opvangt, losmaken.
Dit proces staat bekend als elektromagnetische dissociatie. In de meeste gevallen worden alleen neutronen uitgezonden, maar wanneer de energie van het foton groter is, kunnen er ook protonen vrijkomen. Het nieuwe werk van ALICE meet voor het eerst, kanaal voor kanaal, hoe vaak lood nul, één, twee of drie protonen verliest, vergezeld van neutronen. Dat wil zeggen, hoe vaak de kern lood blijft, hoe vaak hij verandert in thallium, kwik of goud.
Hier komen de fijne instrumenten om de hoek kijken.
ALICE maakt gebruik van speciale detectoren, zogenaamde nulgraadkalorimeters, die zich op meer dan honderd meter van het botsingspunt bevinden en die de neutronen en protonen tellen die bijna in een rechte lijn met de bundel worden uitgestoten. Op basis van de energie die in deze detectoren wordt opgeslagen, wordt gereconstrueerd hoeveel deeltjes bij elke gebeurtenis zijn uitgezonden en worden de effectieve secties berekend, dat wil zeggen de waarschijnlijkheid dat elk type transmutatie plaatsvindt.
De studie vergelijkt deze gegevens met een van de theoretische referentiemodellen, RELDIS. En daar komen de verrassingen. Het model beschrijft goed de gevallen waarin geen protonen worden uitgezonden en de kanalen waarin drie protonen vrijkomen, die verband houden met de productie van goud. Het onderschat echter met ongeveer 17-25 procent de gebeurtenissen met één of twee protonen en overschat met een factor twee of drie de kanalen waarin een proton wordt waargenomen, vergezeld van één, twee of drie neutronen. De natuurkundigen concluderen dat het model moet worden bijgesteld wat betreft de manier waarop het de emissie van protonen en de tussenfase van de reactie behandelt.
En wat heeft dit allemaal voor zin als we geen kluizen gaan vullen met goud uit de LHC?
Enerzijds helpt het om fotonucleaire reacties beter te begrijpen, processen waarbij hoogenergetisch licht zware kernen verandert. Diezelfde fysica wordt gebruikt om de toekomstige Electron Ion Collider te ontwerpen, waar het van cruciaal belang zal zijn om onderscheid te maken tussen interessante signalen en achtergrondruis die wordt geproduceerd door protonen en neutronen die door de doelen worden uitgezonden. Anderzijds zijn deze “toevallige” transmutaties niet onschadelijk voor de versneller zelf. Telkens wanneer een loodkern verandert in thallium, kwik of goud, volgt hij niet langer de verwachte baan, botst hij tegen de wanden van de buis en draagt hij bij aan de bundelverliezen die de levensduur van de bundels en de beschikbare helderheid voor natuurkundig onderzoek beperken.
Uiteindelijk heeft deze hightech-alchemie meer te maken met efficiëntie en veiligheid dan met rijkdom. Door precies te begrijpen hoeveel protonen er verloren gaan, onder welke omstandigheden en met welke waarschijnlijkheid, kunnen de teams van CERN de collimatoren beter afstellen, verbeteringen plannen en elke uur dat de LHC in bedrijf is optimaal benutten. Het is een goede herinnering dat zelfs in gigantische installaties, waar elektrische energie en middelen in astronomische cijfers worden uitgedrukt, de details op picogramschaal worden gemeten.
