在最近的一项研究中，大型离子对撞机实验（ALICE）团队的科学家测量了大型强子对撞机中铅离子碰撞时有时会转化为金和其他新原子核的方式。

物理学家基亚拉·奥佩迪萨诺小时候曾和妈妈一起读过《迈达斯国王》的传说。 

“那件事我至今记忆犹新，”她说，“他碰到的一切都变成了金子，但他仍然不开心。这是一个有趣的故事，但也让我陷入了思考。”

最近，奥佩迪萨诺和她在ALICE实验中的同事们研究了大型强子对撞机内部发生的点石成金现象：铅离子转化为铊、汞和金。

自20世纪40年代以来，科学家们已能够利用粒子加速器将重元素转化为金。这一成果具有独特性，因为它是科学家们首次在一种原子核从未真正接触的碰撞中观察到新化学元素的产生——这是一种无需接触的点石成金。

但正如迈达斯国王所领悟到的，并非所有事物变成金子都会变得更好。

未遂事件

ALICE旨在研究夸克-胶子等离子体，这是宇宙中最热、最密集的物质形态。 

“归根结底，我们正在努力了解物质在极端条件下的行为，”休斯顿大学ALICE项目的物理学家安东尼·蒂明斯说道。 

但在大型强子对撞机（LHC）中，只有正面对撞的铅离子碰撞才有能量产生夸克胶子等离子体。在LHC的铅离子运行期间，大多数粒子相互作用——超过98%——实际上都是险些碰撞但未发生。

在这些情况下，即使两个原子核从未接触，奇怪的事情仍然可能发生。

虽然铅原子是中性的，但大型强子对撞机（LHC）内的铅离子已被剥离了所有电子，因此只有裸露的原子核发生碰撞。这意味着没有任何东西可以抵消离子的82个质子，这些质子产生的巨大正电荷会产生极强的电磁场。由于LHC的极高速度和爱因斯坦狭义相对论的影响，这个电磁场变得更加集中，将离子压缩成薄饼状。 

“这种压缩非常强大，尽管它们的作用时间非常短，但由此产生的磁场和电场是宇宙中已知最强的，”ALICE合作团队成员、欧洲核子研究中心前加速器物理学家约翰·乔维特说。

当两个铅离子相遇时，它们的电磁场会产生光子。如果一个来自一个铅原子核的光子被另一个铅原子核吸收，它可能会释放出几个中子，并且如果能量足够高，还会释放出质子。

失去中子只会改变铅的同位素（即它们仍然是铅原子核，但原子量发生了变化）。但失去质子则会从根本上将铅转化为一种全新的元素。失去一个质子，铅会变成铊；失去两个质子，会变成汞；失去三个质子，会变成金。 

大型强子对撞机产生的黄金数量极少：需要连续运行数十亿年才能产生足够的黄金来制作一枚简单的婚戒。

对于研究人员而言，这些新元素和同位素带来了一个问题。每个新核素都具有独特的荷质比。由于大型强子对撞机（LHC）仅调谐至引导铅-208，新核素在加速器磁铁中会沿特定路径行进。根据其荷质比与铅-208的接近程度，新核素可在LHC束管内行进数百米，有时甚至数千米。如果科学家检测到太多杂散核素，LHC的保护系统将自动倾倒束流。

“如果你开始让铅离子发生碰撞，然后因为过度保护而在最初几分钟内就停止了束流，那么你就永远无法进行任何物理实验，”乔维特说，“这是最好的情况。最坏的情况是你保护措施不够，导致机器受损。” 

在配置大型强子对撞机（LHC）时，加速器物理学家会使用复杂的模拟来预测和操控最常见的不期望粒子的轨迹，以便能够安全地拦截和吸收这些原子闯入者。但ALICE（爱丽丝）实验的科学家们指出，这些模型中一个关键组成部分——即近距铅碰撞中的质子发射——仍缺乏实验验证。

“有时，模型使用的是很久以前从未重新测量过的稀缺数据，”作为ALICE研究生参与此项分析的乌利亚纳·德米特里耶娃说道。

蜕变

与奥佩迪萨诺一样，德米特里耶娃在俄罗斯乡村的一个小镇上度过了童年，她也被那些转变的例子深深打动。她记得在花园里播下种子，看着它们长成草莓、黄瓜和西红柿，然后摘下来当早餐吃。

“我总是被各种蜕变过程所包围，”德米特里耶娃说道，“但更基本的过程呢？这真的让我很感兴趣。”

在本科期间，德米特里耶娃曾师从一位ALICE理论学家，后者负责模拟粒子加速器内铅转化为其他元素的过程。“我想从事实验方面的工作，而我的导师的研究更偏向理论，”她说，“这对我们来说是个很好的机会。”

在最近这项研究中，德米特里耶娃和她的导师与ALICE项目的同事们合作，统计了非碰撞铅原子核释放的质子和中子的数量，并估算了铅转化为更轻元素的可能性。

虽然理论上很简单，但实际上却极其困难。

首先，他们需要对ALICE的零度量热计有深入的了解，该量热计是位于LHC束流管沿线的一种探测器，由奥佩迪萨诺在研究生期间帮助设计和建造。

“现在，当我看到探测器的光谱时，它就像在与我对话，”奥佩迪萨诺说道。

接下来，他们需要模拟这类事件。这或许是分析过程中最具挑战性的部分。

“中子不带电荷；它们直线移动，我们可以预测它们最终会到达哪里，”奥佩迪萨诺说，“但质子带电荷，会被大型强子对撞机的磁场弯曲。这非常棘手，而乌利亚纳非常固执，并致力于这项任务。” 

德米特里耶娃利用理论框架和蒙特卡洛模拟，对数百万次近程碰撞中的中子和质子传播进行了建模。通过这一模型，她能够估算出探测器观测并记录到发射的质子和中子的频率。

“这真的很难，因为我们使用的探测器距离相互作用点超过100米，”德米特里耶娃说道，“但它为我们提供了关于此类测量中探测器效率的关键信息。”

当他们最终分析数据并将其与模拟和模型进行比较时，他们惊讶地发现：虽然模型在预测铊、汞和金的生成频率方面做得相当不错，但它们并未准确预测出具体的同位素。

“在某些情况下，模型的误差超过了两倍，”德米特里耶娃说道，“如果我们想要建造更大、更强大的对撞机，就需要充分理解这一过程。”

据乔维特介绍，大型强子对撞机（LHC）碰撞点处新离子的产生率足够低，科学家无需担心潜在的束流吸收或损坏问题。但对于未来的对撞机，如拟议中的超大型LHC版本——未来环形对撞机（FCC-hh），情况则并非如此。 

“对于FCC（费米子对撞机）而言，除了LHC（大型强子对撞机）已经实施的措施外，你还必须采取非常特殊的措施来吸收这些离子，”他说，“这些束流的功率将达到数十千瓦，而不是我们在LHC已经学会处理的数百瓦。”

虽然描述这些险些发生的碰撞对于未来对撞机的设计至关重要，但乔维特指出，这些结果本身在科学上也是很有趣的。

“大型强子对撞机（LHC）的重离子项目让我们得以观察到许多超出最初预期的有趣现象，”他说道，“其中之一就是实验所研究的核物理与限制对撞机性能的加速器物理和束流物理之间这种引人入胜的相互作用。”