煉金術的現代回響

自古以來，黃金就因其迷人的色澤和稀有性而備受珍視。在中世紀，煉金術師更是夢想著將普通金屬鉛（Pb）轉化為貴重金屬金（Au）。這個追求可能源于人們發現鉛和黃金密度接近。

然而，直到近現代科學家才認識到：鉛和金是兩種完全不同的化學元素，無法通過化學方法互相轉化。

20世紀，核物理學的發展揭示了某些重元素可以通過放射性衰變自然轉變為其他元素，或在實驗室中經由中子或質子的轟擊實現人工嬗變（transmutation）。事實上，已經有研究在實驗室中通過這種方式成功制造出了微量的黃金。

如今，這種不再神秘的轉變也發生在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）中。在一項發表于《物理評論C》的研究中，CERN的大型離子對撞機實驗（ALICE）合作組報告了通過一種全新的機制——鉛核之間的“近距離擦身而過”——實現并量化了鉛向金的轉變。

歐洲核子研究中心（CERN）的大型離子對撞機實驗（ALICE）。（圖/CERN）

擦身而過的奇跡

在LHC中，鉛核之間的高能碰撞可以產生一種名為夸克-膠子等離子體（QGP）的特殊物質狀態，這種物態被認為曾在大爆炸后的微秒之內充滿了宇宙，是現代物質的“前身”。然而，在更多情況下，兩個鉛核并不會發生正面碰撞，而是以極小的間距擦身而過。

在這種“近距離擦身而過”相互作用中，鉛核周圍的強電磁場會誘發光子-光子和光子-核相互作用。鉛核擁有82個質子，每個質子攜帶一個基本電荷，因此其電磁場非常強大。當鉛核以接近光速（約為光速的99.999993%）在LHC中運行時，其電磁場線會被擠壓成“薄煎餅”狀，橫向傳播，形成極短暫的光子脈沖。

通常，這些脈沖可觸發一個名為“電磁離解”的過程，即光子與原子核相互作用，激發原子核內部結構發生振蕩，使其發射出少量中子和質子。若要將鉛（82個質子）轉化為金（79個質子），就需要從鉛核中移除3個質子。

LHC中兩個鉛（2??Pb）離子束相互靠近但未發生碰撞。在電磁離解過程中，與原子核相互作用的光子可以激發原子核內部結構的振蕩，并導致少量中子（2個）和質子（3個）的

發射，從而將鉛轉變為金（2?3Au）。（圖 / CERN）

ALICE實驗的獨特之處在于，其探測器不僅能處理一次產生數千粒子的劇烈碰撞，也能精確捕捉僅產生少量粒子的罕見事件。這一能力使研究人員能從大量的碰撞碎片中篩選出“核嬗變”的實例。

研究團隊利用零度量熱計來統計光子-核相互作用引發的質子發射事件。根據發射出的質子數量（0、1、2、3）和伴隨的中子，可以分別判斷鉛、鉈、汞和金元素的生成。盡管金的生成概率低于鉈和汞，但數據顯示，在ALICE探測點，鉛-鉛碰撞每秒可產生高達89,000個金原子核。

這些金核以極高能量離開碰撞點，隨后在下游撞擊LHC的束流管或準直器，并在那里迅速分裂為單個質子、中子及其他粒子。這些金原子核的存在時間不足一秒。

根據ALICE合作組的測算，在LHC第二輪運行期間（2015–2018年），四個主要實驗共產生了約860億個金原子核，質量約為29皮克（2.9 × 10?11 克）。而在第三輪實驗中，隨著加速器亮度提升，金的產生量接近第二輪的兩倍。但即便如此，與制造一件金飾所需的黃金量相比，依然微不足道。

換言之，雖然煉金術士的夢想在技術上得以實現，但他們的致富幻想再一次破滅了。

從煉金術到束流控制

每當鉛束在LHC中碰撞時，金都會短暫地產生。但ALICE是唯一一個能夠用探測器觀測這一過程的實驗。研究人員表示，正是因為ALICE的零度量熱計具有獨特能力，我們才能夠首次系統地探測并分析LHC中產生金的實驗信號。

這一發現不僅驗證了電磁離解的理論模型，也推動了對LHC和未來對撞機中“束流損耗”機制的理解，而束流損耗正是限制加速器性能的關鍵因素之一。

#參考來源：

https://home.cern/news/news/physics/alice-detects-conversion-lead-gold-lhc

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01484-3

https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.111.054906

#圖片來源：

封面圖&首圖：Hans / Pixabay