Físicos nucleares que trabalham no Grande Colisor de Hádrons ganharam destaque recentemente ao alcançar o sonho secular dos alquimistas (e o pesadelo de investidores em metais preciosos): Transformaram chumbo em ouro.
Pelo menos por um 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 de cientistas da Universidade de Kansas, que trabalhava no experimento ALICE, que desenvolveu a técnica que rastreou colisões “ultra-periféricas” entre prótons e íons que resultaram na produção de ouro no LHC.
“Normalmente, em experimentos de colisores, fazemos as partículas colidirem umas com as outras para produzir uma grande quantidade de destroços,” 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 atingem. Essas são quase colisões. Os íons passam perto o suficiente para interagir – mas sem tocar. Não há sobreposição física.”
Os íons que correm pelo 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 emitir luz que basicamente tira uma foto do outro. Quando essa luz é suficientemente energética, pode investigar profundamente dentro do outro núcleo, como um flashbulb de alta energia.”
O pesquisador da KU disse que durante esses “flashes” de colisões ultra-periféricas, interações surpreendentes podem ocorrer, incluindo o evento raro que chamou a atenção mundial.
“Às vezes, os fótons de ambos os íons interagem entre si – o que chamamos de colisões fóton-fóton,” afirmou. “Esses eventos são incrivelmente limpos, com quase nada mais produzido. Eles contrastam com colisões típicas, onde vemos jatos de partículas voando por toda parte.”
No entanto, o detector ALICE e o LHC foram projetados para coletar dados sobre colisões frontais que resultam em jatos desordenados de partículas.
“Essas interações limpas eram difíceis de detectar com as configurações anteriores,” disse Tapia Takaki. “Nosso grupo na KU desenvolveu novas técnicas para estudá-las. Construímos essa expertise há anos, quando não era um assunto popular.”
Esses métodos permitiram a descoberta notável de que a equipe do LHC transmutou chumbo em ouro momentaneamente por meio de colisões ultra-periféricas, onde íons de chumbo perdem três prótons (transformando a partícula de chumbo em uma partícula de ouro) por uma fração de segundo.
Os co-autores do artigo da KU incluem a estudante de pós-graduação Anna Binoy; o estudante de pós-graduação Amrit Gautam; o pesquisador pós-doutoral Tommaso Isidori; a assistente de pesquisa pós-doutoral 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 afirmou que, embora a criação de ouro tenha fascinado o público, o potencial de entender as interações vai mais fundo.
“Essa luz é tão energética que pode arrancar prótons do núcleo,” disse. “Às vezes um, às vezes dois, três ou até quatro prótons. Podemos ver esses prótons ejetados diretamente com nossos detectores.”
Cada próton removido muda os elementos: Um dá tálio, dois dão mercúrio, três dão ouro.
“Esses novos núcleos são muito efêmeros,” explicou. “Eles decaem rapidamente, mas nem sempre imediatamente. Às vezes, eles viajam ao longo da linha do 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 colisores ainda maiores que o LHC – alguns com até 100 quilômetros na Europa e na China – é necessário entender esses subprodutos nucleares,” disse Tapia Takaki. “Essa ‘alquimia’ pode ser crucial para projetar a próxima geração de máquinas.”
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Física Nuclear.