- A colaboração ALICE do CERN publicou na Physical Review Journals uma medição quantitativa do processo em que núcleos atômicos de chumbo se transformam em núcleos atômicos de ouro no LHC
- Esse fenômeno ocorre em colisões de aproximação muito mais frequentes do que colisões frontais, nas quais campos eletromagnéticos intensos induzem interações fóton–núcleo
- Como o chumbo tem 82 prótons e o ouro 79, é necessário que 3 prótons sejam removidos do núcleo de chumbo no feixe do LHC para que ele se torne ouro
- O ALICE usou o ZDC para contar o número de prótons emitidos e distinguir a produção de chumbo, tálio, mercúrio e ouro, e no ponto de colisão do ALICE núcleos de ouro são produzidos em uma taxa de até cerca de 89.000 por segundo
- Durante o Run 2 de 2015–2018, cerca de 86 bilhões de núcleos de ouro foram produzidos nos quatro principais experimentos, mas sua massa total foi de apenas 29 picogramas, e o ouro gerado se fragmenta imediatamente ao colidir com o tubo de feixe ou os colimadores
Medição da transmutação nuclear de chumbo em ouro
- A colaboração ALICE publicou na Physical Review Journals uma medição que quantifica o fenômeno de conversão de chumbo em ouro no Large Hadron Collider do CERN
- A transformação de chumbo em ouro, sonho da alquimia medieval, é impossível por meios químicos, mas desde a física nuclear do século XX sabe-se que elementos pesados podem se transformar em outros por decaimento radioativo ou colisões de partículas
- O ouro já havia sido produzido artificialmente antes, mas esta medição tem como foco o mecanismo que ocorre em colisões de aproximação entre núcleos de chumbo no LHC
Colisões de aproximação, mais frequentes do que colisões frontais
- Colisões frontais de chumbo–chumbo em alta energia no LHC podem criar o plasma de quarks e glúons, um estado quente e denso da matéria que se acredita ter preenchido o universo por volta de um milionésimo de segundo após o Big Bang
- Em interações mais frequentes, os dois núcleos passam de raspão sem “se tocar”, e os fortes campos eletromagnéticos ao redor induzem interações fóton–fóton e fóton–núcleo
- Núcleos de chumbo contêm 82 prótons, o que torna seu campo eletromagnético especialmente intenso
- Os núcleos de chumbo dentro do LHC se movem a uma velocidade extremamente alta, equivalente a 99,999993% da velocidade da luz
- Por causa dessa velocidade, as linhas do campo eletromagnético são comprimidas em um formato fino de panqueca, perpendicular à direção do movimento
- Como resultado, forma-se um pulso de fótons de curtíssima duração
Como os núcleos de ouro são produzidos
- Quando um fóton interage com um núcleo, ele pode excitar vibrações da estrutura interna desse núcleo, processo chamado de dissociação eletromagnética
- A dissociação eletromagnética pode levar à emissão de alguns nêutrons e prótons
- Para produzir ouro a partir de um núcleo de chumbo no feixe do LHC, é preciso remover 3 dos 82 prótons
- Núcleo de chumbo: 82 prótons
- Núcleo de ouro: 79 prótons
- O esquema mostra uma colisão ultraperiférica em que dois feixes de íons de chumbo 208Pb passam próximos sem colidir, e uma interação fóton–núcleo ejeta 2 nêutrons e 3 prótons, deixando para trás um núcleo de ouro 203Au
Produção de elementos distinguida pelo ZDC do ALICE
- A equipe do ALICE usou os zero degree calorimeters (ZDC) do detector para contar o número de prótons emitidos após interações fóton–núcleo
- Emissão de 0 prótons e pelo menos 1 nêutron: associada à produção de chumbo
- Emissão de 1 próton e pelo menos 1 nêutron: associada à produção de tálio
- Emissão de 2 prótons e pelo menos 1 nêutron: associada à produção de mercúrio
- Emissão de 3 prótons e pelo menos 1 nêutron: associada à produção de ouro
- A produção de ouro ocorre com menos frequência do que a de tálio ou mercúrio
- Atualmente, o LHC produz ouro em colisões chumbo–chumbo no ponto de colisão do ALICE a uma taxa de até cerca de 89.000 núcleos por segundo
- Os núcleos de ouro produzidos saem do ponto de colisão com energia muito alta e atingem o tubo de feixe do LHC ou colimadores em vários pontos a jusante
- Os núcleos de ouro se fragmentam imediatamente no local em prótons isolados, nêutrons e outras partículas, existindo por um tempo extremamente curto
A quantidade produzida é minúscula, mas importante para entender perdas de feixe
- Segundo a análise do ALICE, cerca de 86 bilhões de núcleos de ouro foram produzidos nos quatro principais experimentos durante o LHC Run 2, entre 2015 e 2018
- Em massa, isso corresponde a 29 picogramas, ou 2,9 × 10^-11 g
- Como a luminosidade do LHC continua aumentando com upgrades regulares, o Run 3 produz quase o dobro de ouro em relação ao Run 2
- A quantidade total produzida ainda é trilhões de vezes menor do que o necessário para fazer uma única joia
- Graças às capacidades do ZDC do ALICE, esta análise se tornou o primeiro caso de detecção e análise experimental sistemática de sinais de produção de ouro no LHC
- Os resultados são usados para testar e aprimorar modelos teóricos de dissociação eletromagnética
- Esses modelos são usados para compreender e prever perdas de feixe, um dos principais fatores que limitam o desempenho do LHC e de futuros colisores
1 comentários
Opiniões do Hacker News
A parte relevante é esta: “Segundo a análise do ALICE, durante o LHC Run 2 (2015–2018), foram produzidos cerca de 86 bilhões de núcleos de átomos de ouro nos quatro principais experimentos. Em massa, isso corresponde a 29 picogramas (2,9 ×10-11 g)”
Para produzir 1 onça, bastaria escalar isso para a casa dos trilhões, mas transformar chumbo em ouro — o sonho de inúmeros alquimistas — agora virou um subproduto de um acelerador de partículas
Em 1 grama de ouro há 1.000 billion billion núcleos de átomos de ouro
Fiz minha pesquisa de doutorado no Brookhaven National Lab, onde fica o RHIC, predecessor do programa de íons pesados do LHC
Na época, um cientista sênior me contou uma conversa ocorrida durante uma revisão do programa em andamento. Naquele momento, o RHIC estava colidindo ouro no programa de íons pesados, e um dos avaliadores perguntou se não seria possível economizar custos trocando por um elemento mais barato, como chumbo. Segundo ele, ninguém do RHIC soube o que responder. Não me lembro dos números exatos, mas, ao longo de todo o programa, o RHIC usou algo como menos de 1 miligrama de ouro
Havia uma câmara em forma de sino onde se colocava o wafer, e, independentemente do tamanho do wafer, todo o interior da câmara era revestido uniformemente com ouro. O técnico que operava o equipamento costumava colocar seu anel dentro da câmara junto com as amostras e, ao longo dos anos, com as camadas se acumulando, foi fazendo com que ele “se transformasse em ouro”
O ouro produzido é ouro-203, radioativo, e decai em mercúrio-203 em 1 minuto. O mercúrio-203 também é radioativo. O ouro que conhecemos é ouro-197
Também não é, de forma alguma, o primeiro caso de chumbo transformado em ouro. A transmutação de chumbo em ouro-197 já foi realizada em 1980. Em todos esses casos, a quantidade produzida é tão pequena que seu valor como metal precioso é essencialmente zero
Por diversão, calculei quanto tempo levaria para o LHC e o ALICE produzirem ouro suficiente para financiar por conta própria o custo do FCC. Assumi 15 bilhões de CHF ao preço atual do ouro em francos suíços, em condições perfeitas e ignorando todos os limites
A conclusão é que levaria cerca de 185 bilhões de anos em operação contínua. Para referência, a idade do universo é de cerca de 14 bilhões de anos. Aqui, ignorei a tensão de Hubble
Sempre que ouço discussões sobre avanço tecnológico, penso nisso. Costuma aparecer a afirmação de que, no início do século XX, muita gente achava que estávamos chegando perto do ápice da tecnologia, e essa história volta à tona quando a mesma afirmação é feita hoje
Não acho que já tenhamos chegado lá, mas sinto que os limites dos quais estamos nos aproximando têm mais a ver com recursos e engenharia do que com limites do conhecimento. Literalmente, a alquimia existe, mas não temos capacidade de produzir uma quantidade significativa de ouro. Não porque não saibamos como, e sim porque não é prático. Quanto mais a ciência dos materiais, a química e talvez a física ainda podem nos oferecer em termos de tecnologia prática? Com certeza muita coisa, mas não acredito que o ritmo de avanço tecnológico nessas áreas vá se manter. Claro que ainda há uma quantidade enorme a aprender, mesmo que não seja aplicada imediatamente à tecnologia
Vejo a bioquímica e a biologia como áreas em que ainda resta, de fato, uma grande abundância de conhecimento aplicável e prático. Ainda nem arranhamos a superfície. Talvez nunca encontremos uma forma de viajar mais rápido que a luz, mas, se pudermos adaptar o corpo para permanecer em estado de suspensão por centenas ou milhares de anos, isso talvez não seja um grande problema. Sinto que tornar a biologia fácil de manipular será muito mais perigoso do que a proliferação nuclear. De todo modo, não sou especialista nessas áreas
O espaço de projeto de metamateriais e máquinas moleculares que ainda não exploramos é enorme
Isso acontece porque, mesmo com bons arcabouços teóricos, técnicas matemáticas e capacidade computacional, abaixo da escala do angstrom só conseguimos ir até certo ponto; acima da escala do milímetro, existem ferramentas de engenharia mecânica como FEM, mas a escala nano a micro, onde surgem de fato a maioria das propriedades dos materiais, é praticamente incomputável. Acho que até o cálculo de propriedades de materiais a partir de primeiros princípios, além de sistemas leves com poucos átomos, ainda é difícil. Como não sou alguém com grande intuição em matemática avançada e cálculo para resolver esse tipo de problema, a natureza da pesquisa de pós-graduação nessa área não me atraiu pessoalmente. Ainda assim, fabs de semicondutores e laboratórios de catalisadores fizeram grandes avanços com uma abordagem sistemática e repetitiva de experimentação em massa
Quando a computabilidade na escala nano a micro for resolvida, isso provocará uma mudança enorme, comparável à Revolução Industrial e à revolução da tecnologia da informação. Também acho que a revolução da biologia, para manipular proteínas, basicamente precisará de uma computabilidade semelhante, embora pareça haver atalhos usando bactérias. Nos últimos anos, vi ocasionalmente artigos sugerindo avanços na matemática e na computabilidade da escala nano a micro, por isso estou bastante esperançoso de que haverá grandes progressos tecnológicos
Vale pensar se existe algum princípio que explique a relação entre as duas. Houve um tempo em que eu sentia que tínhamos batido em um muro por causa da crise evidente pela qual a democracia passa, dos limites do desempenho de processamento dos computadores, da enshittification que deteriora serviços por dentro, da realidade de não conseguirmos realizar coisas como trens de alta velocidade, do progresso lento dos carros autônomos e da percepção de que os prédios existentes nas cidades permanecem por muito tempo e não vão se transformar em cyberpunk da noite para o dia
Mas, se nossa era não fosse lembrada por ameaças à democracia, pandemia e guerra, talvez houvesse espaço para lembrá-la como um período de avanços realmente importantes na fronteira da ciência. CRISPR e IA por si só já bastam como feitos representativos de uma era. Então, voltando ao ponto original, não acho que os avanços até agora sejam prova de que nossa capacidade de levar a fronteira do conhecimento à aplicabilidade vá desacelerar em breve. Entendo a ideia, mas sou um pouco mais otimista
Fico me perguntando se o verdadeiro motivo pelo qual os físicos eram obcecados em transformar metais comuns em ouro não era, na verdade, o LHC
Newton passou cerca de 30 anos de sua vida na alquimia, e suas outras realizações foram, na prática, quase um trabalho paralelo
Historicamente, fico curioso sobre por que chumbo e ouro ficaram tão intimamente ligados. Por que os alquimistas se concentraram em transformar chumbo em ouro? Por que não partir de pedras como ferro ou quartzo? Será que era só porque ambos são metais pesados e macios?
Considerando apenas as informações da época, não era uma teoria tão ruim. Afinal, todos os metais acabam vindo da terra. A ideia de transformar chumbo em ouro não era pensamento mágico, mas uma tentativa de reproduzir e acelerar em laboratório as condições naturais. É parecido com o que fazemos hoje de centenas de maneiras diferentes. Se alguém tivesse conseguido, teria sido, para aquela época, como o experimento da dupla fenda: uma prova completa de que a teoria alquímica estava correta
Você deve conhecer aquelas cenas em filmes medievais em que alguém morde uma moeda; era para verificar se era ouro ou chumbo. Então o chumbo era a personificação do falso, e seria como transformar o falso em verdadeiro
“Essa antiga busca, conhecida como chrysopoeia, pode ter sido motivada pela observação de que o chumbo, cinza opaco e relativamente abundante, tem uma densidade semelhante à do ouro, há muito cobiçado por sua bela cor e raridade”
Acho que o que a alquimia tentava mudar não eram tanto as propriedades atômicas, mas transferir para o chumbo certas propriedades do ouro, como o ponto de fusão e a cor, para produzir ouro mais barato em laboratório
Com certeza também deve ter havido tentativas de transformar prata em ouro. Como a prata tem um peso mais próximo, eles teriam visto a mudança necessária como menor
Tudo de que os alquimistas precisavam era de um grande colisor de partículas. Eram pessoas muito à frente de seu tempo
Há uma cena da série de ficção científica Mission Earth, de L. Ron Hubbard, que ficou na minha memória por anos. O protagonista, que estava se preparando para uma missão infiltrado na Terra e é, na prática, quase um vilão, vai a uma área cheia de usinas de fusão nuclear de sua cidade e encomenda uma enorme quantidade de ouro para levar
No fim, é ouro suficiente para colapsar a economia da Terra. Mas o que ficou comigo foi a ideia de produzir elementos sob encomenda
Isto não é simplesmente bombardear diretamente um alvo dentro de um acelerador de partículas, mas uma nova forma de transformar chumbo em ouro por meio de colisões próximas no CERN. A quantidade produzida é submicroscópica e radioativa