CERN: Large Hadron Collider erzeugt mit ALICE 86 Milliarden Goldkerne aus Blei

Vom alchemistischen Traum zur Teilchenphysik

Im Mittelalter gab es zeitweise einen regelrechten Hype: Aus unscheinbarem Blei sollte durch Kunstgriffe plötzlich reines, glänzendes Gold werden.

Rückblickend hätten die damaligen Alchemisten wohl eher einen Teilchenbeschleuniger gebraucht. Denn einer neuen Veröffentlichung zufolge hat der Large Hadron Collider (LHC) am CERN während seiner zweiten Betriebsphase von 2015 bis 2018 rund 86 Milliarden Goldkerne aus schnellen Bleikernen hervorgebracht.

Das ist allerdings keineswegs „viel“ Gold – es handelt sich um bloss Billionstel eines Gramms. Und dauerhaft ist es ebenfalls nicht: Die erzeugten Kerne existieren nur für Bruchteile einer Sekunde. Spannend ist vor allem, wie die Physikerinnen und Physiker diese Goldproduktion überhaupt messbar gemacht haben: Sie bestimmten sie, indem sie die Anzahl der Protonen erfassten, die zusammen mit Neutronen bei den Bleiwechselwirkungen auftreten – mithilfe der Nullgrad-Kalorimeter (ZDCs) des ALICE-Detektors (Ein Experiment für grosse Ionenkollisionen).

„Dank der einzigartigen Fähigkeiten der ALICE-ZDCs ist die vorliegende Analyse die erste, die die Signatur der Goldproduktion am LHC experimentell systematisch nachweist und auswertet“, erklärt die Physikerin Uliana Dmitrieva von der ALICE-Kollaboration am CERN.

Von Blei zu Gold: Kernphysik statt „Chrysopoeia“

Im Periodensystem liegen Blei und Gold nur wenige Felder auseinander. Gold besitzt 79 Protonen, Blei 82. Entfernt man einem Bleiatom also im Prinzip ein paar Protonen (sowie einige Neutronen), bleibt ein Goldatom übrig.

Diese Idee erinnert an die Chrysopoeia, die Alchemisten einst anstrebten – praktisch ist der Weg dorthin jedoch alles andere als simpel. Man benötigt einen Teilchenbeschleuniger, der die Teilchen auf Energien bringt, die hoch genug sind, um diese „Abschläge“ am Kern zu ermöglichen.

Kurz gesagt: Das Verfahren verschlingt extrem viel Energie und setzt sehr teure, hochspezialisierte Infrastruktur voraus. Wer Gold gewinnen will, wählt damit wahrscheinlich den ineffizientesten Weg – gemessen an Aufwand, Kosten und Ressourcen.

Trotzdem ist Blei ein häufig genutztes Material für Experimente in Teilchenbeschleunigern. Dabei entsteht Gold als kurzlebiges Nebenprodukt.

ALICE am CERN: Gold entsteht auch durch Beinahe-Kollisionen im Large Hadron Collider

Die ALICE-Kollaboration hat die Goldproduktion nun nicht anhand von Fällen bestimmt, in denen Bleikerne frontal aufeinanderprallen, sondern anhand von Beinahe-Treffern: Die Kerne passieren sich im Large Hadron Collider mit 99.999993 percent der Lichtgeschwindigkeit.

Bei diesen Geschwindigkeiten „drückt“ der Bleikern mit seinen 82 geladenen Protonen das elektromagnetische Feld im Beschleuniger in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung zusammen. Wenn zwei Bleikerne einander nah genug kommen, führt das zu einem Photonimpuls.

Trifft dann ein Photon auf einen Bleikern, kann es dessen innere Struktur anregen – so, dass der Kern Neutronen und Protonen ausstösst.

Nebenprodukte: Thallium und Quecksilber neben Gold

Aus dieser Art der Nukleonen-Entfernung entsteht nicht nur Gold. Je nachdem, wie viele Teilchen der Kern verliert, kann etwa ein Thalliumkern mit 123 Neutronen und 81 Protonen entstehen – oder ein Quecksilberkern mit 121 Neutronen und 80 Protonen.

Indem die ZDCs von ALICE freie Neutronen in Kombination mit einem, zwei oder drei Protonen zählten, konnte das Team während derselben LHC-Betriebsphase die Produktion aller drei Elemente quantifizieren.

Thallium und Quecksilber entstehen dabei in deutlich grösseren Mengen als Gold. Für Gold liegt die derzeitige maximale Erzeugungsrate bei etwa 89,000 Kernen pro Sekunde – aus Blei-Blei-Kollisionen in der Nähe des ALICE-Kollisionspunkts im Beschleuniger.

Für die zweite Betriebsphase des Teilchenbeschleunigers blieb die Goldmenge dennoch verschwindend gering: insgesamt nur 29 Picogramm, also Billionstel eines Gramms. In dieser Grössenordnung wird auch bei Bakterien gemessen. In nur einem einzigen Gramm Gold stecken Sextillionen von Atomen.

Warum das „Gold“ sofort wieder verschwindet

Hinzu kommt, dass die schnellen Goldkerne kurz nach ihrer Entstehung gegen die Wände des Large Hadron Collider prallen und dabei in einem Schauer aus Protonen, Neutronen und Elektronen zerfallen – nahezu im selben Augenblick, in dem sie sich bilden. Mittelalterliche Alchemisten wären davon wohl zutiefst enttäuscht gewesen.

Für die heutige Forschung ist es dagegen ausgesprochen faszinierend. Nicht nur lassen sich Atome beinahe mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander schleudern; anschliessend kann man auch noch die Veränderungen bestimmen, die diese Atome durch das „Schleudern“ erfahren. Das liegt weit jenseits dessen, was sich unsere mittelalterlichen Vorfahren hätten ausmalen können.

„Es ist beeindruckend zu sehen, dass unsere Detektoren frontale Kollisionen bewältigen können, bei denen Tausende Teilchen entstehen“, sagt der Teilchenphysiker Marco van Leeuwen von der Universität Utrecht, Sprecher der ALICE-Kollaboration, „und zugleich empfindlich genug sind für Kollisionen, bei denen jeweils nur wenige Teilchen produziert werden – was die Untersuchung seltener elektromagnetischer Prozesse der ‚Kerntransmutation‘ ermöglicht.“

Die Ergebnisse wurden in Physical Review C veröffentlicht.