CERN beobachtet den Prozess, der Blei plötzlich in Gold verwandelt

In einem Experiment am Large Hadron Collider (LHC) bei Genf wurde beobachtet, wie sich Blei-Atome in Gold verwandeln - nicht durch Magie, sondern durch einen quantenphysikalischen Prozess bei extrem schnellen Beinahe-Kollisionen.

Atomkerne im LHC: Wenn aus Blei plötzlich Gold wird

Was mittelalterliche Alchemisten über Jahrhunderte vergeblich suchten, gelingt heute ganz nebenbei in einem 27 Kilometer langen Tunnel unter der französisch-schweizerischen Grenze - allerdings nicht mit Zauberformeln, sondern mit Hochenergiephysik.

Dass sich bei Teilchenbeschleuniger-Kollisionen schwere Atomkerne verändern und dabei unter anderem auch Gold entstehen kann, war bereits bekannt. Neu an der aktuellen Analyse ist, dass nun erstmals systematisch und experimentell nachgewiesen wurde, wie dieser Vorgang im Detail abläuft. Die ALICE-Kollaboration konnte dabei nicht nur den spezifischen Mechanismus bestätigen, sondern auch zählen, wie viele Goldkerne bei bestimmten Reaktionen tatsächlich entstehen - eine Messung, die bislang nicht in dieser Form vorlag.

Dank der besonderen Eigenschaften der ALICE-ZDC-Detektoren ist dies die erste Analyse, die die Entstehung von Gold am LHC experimentell systematisch nachweisen und auswerten konnte

Die Beobachtung: Im LHC rasen Bleikerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander zu. Treffen sie sich nicht direkt, sondern streifen sich nur, entstehen sehr starke elektromagnetische Felder. Diese Felder wirken wie ein kurzer Lichtblitz aus hochenergetischen Photonen - Lichtteilchen, die hier stark genug sind, um Atomkerne zu verändern.

Trifft ein solches Photon auf einen Bleikern, kann es innere Schwingungen auslösen, die dazu führen, dass einzelne Bestandteile wie Protonen und Neutronen aus dem Kern herausgelöst werden. Dieser Vorgang heißt elektromagnetische Dissoziation. Entfernt ein Photon genau drei Protonen vom Bleikern (der 82 davon besitzt), bleibt ein Goldkern mit 79 Protonen zurück. Dieser Prozess passiert selten, aber häufig genug, um ihn mit präzisen Detektoren messen zu können. CERN: So wird Blei zu Gold

Ganz genau gemessen

Die ALICE-Kollaboration am LHC hat dafür spezielle Messinstrumente eingesetzt, die sogenannten Zero Degree Calorimeters. Sie erkennen sehr genau, wie viele einzelne Protonen und Neutronen bei solchen Streifkollisionen entstehen. "Unsere Detektoren können sowohl Tausende Teilchen in einer zentralen Kollision als auch einzelne Teilchen bei peripheren Ereignissen erfassen", sagt ALICE-Sprecher Marco Van Leeuwen.

Laut einer in Physical Review veröffentlichten Analyse wurden allein während der Betriebsphase 2015-2018 etwa 86 Milliarden Goldkerne erzeugt. Das klingt viel - entspricht aber nur rund 29 Pikogramm, also 0,000000000029 Gramm. Die Teilchen fliegen sofort weiter und zerfallen oder schlagen an Bauteile des Beschleunigers. "Die Ergebnisse testen und verbessern theoretische Modelle zur elektromagnetischen Dissoziation", so John Jowett vom ALICE-Team.

Auch wenn dabei kein sichtbares Gold entsteht, ist die Beobachtung von großer Bedeutung: Sie liefert neue Daten darüber, wie Atomkerne sich unter extremen Bedingungen verhalten - ein Wissen, das nötig ist, um zukünftige Teilchenbeschleuniger präziser zu steuern und unerwünschte Teilchenverluste im Betrieb besser vorherzusehen.


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