煉金術係「金」ㄟ!──LHC真的把鉛變成金了?

更新於 發佈於 閱讀時間約 4 分鐘
作者:ChatGPT

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千百年來,無數煉金術士夢想將廉價的鉛變成金。沒想到,在 2025 年的 CERN 大型強子對撞機(LHC),這個看似荒謬的夢想居然成真了——真的「煉」出了金!


這不是魔法,而是物理。這場「煉金術」發生在一種稱為「超週邊碰撞」(Ultraperipheral Collision, UPC)的高能反應中。簡單說,就是兩個鉛核在 LHC 中以極高速度擦身而過,沒有直接撞在一起,卻因強烈電磁場而產生「電磁解離(Electromagnetic Dissociation, EMD)」——核內的質子和中子被震出來。


這個過程的關鍵在於:即使沒碰到,重離子高速移動時產生的強電磁場,也能讓原子核吸收類似光子的能量,進而分裂,產生新元素。


所以,ALICE 偵測到什麼?


歐洲核子研究中心(CERN)的 ALICE 實驗團隊利用稱為「零度卡尺(ZDCs)」的裝置,首次量化了這些擦身而過事件中,質子與中子的發射情形,尤其是那些伴隨一顆以上中子的質子發射事件。


結果發現,鉛核(208Pb)在這樣的反應中會發出:


 1 顆質子(1p):約 40 奈巴(b)

 2 顆質子(2p):約 17 奈巴

 3 顆質子(3p):約 7 奈巴


這些反應等同於產生了鉈(Tl)、汞(Hg)與金(Au)等次級元素。換句話說,鉛真的變成金了!


令人驚訝的是,這種「鉛變金」的反應截面(簡單理解為發生機率)竟然高達 6.8 b,幾乎等同於鉛原子真正撞上的強子碰撞(7.67 b)。也就是說,在 LHC 中,每當有一場「重重的撞擊」,就差不多也有一場靜靜的「鉛變金」事件正在發生。


不過可別興奮太早,根據研究團隊估算,整個 Run 2 期間(2015–2018)產出的金總量大約只有……2.9 × 10⁻¹¹ 克,比沙粒還小得多。不過這可是真正由物理實驗轉化出來的金!


這次實驗也讓物理學家重新檢視了他們的模擬模型 RELDIS。該模型預測某些發射組合的機率,如單質子伴隨一、二、三顆中子(1p,1n)、(1p,2n)、(1p,3n),但預測值竟然高出實測值兩到三倍。這顯示我們對高能光子如何與鉛核互動還有待進一步理解。


別以為這只是浪漫的煉金夢。這些數據其實對未來的電子–離子對撞機(Electron-Ion Collider, EIC)極為關鍵,能幫助物理學家更精準地模擬背景事件,讓觀測如 J/ψ 光產這類複雜現象更為可靠。


此外,這些伴隨生成的新元素也會影響粒子加速器中光束的穩定與壽命,是工程安全不能忽視的因素。


這項研究不只讓我們一窺粒子物理世界的奇妙現象,更讓我們見證一場真正的「現代煉金術」。在加速器中,我們不靠神秘公式或水銀蒸餾,而是透過電磁場與相對論,讓夢想中的鉛變金真實上演!


參考文獻:


Acharya, S., et al. (ALICE Collaboration). (2025). Proton emission in ultraperipheral Pb–Pb collisions at √sₙₙ = 5.02 TeV. Physical Review C, 111(5), 054906. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.054906


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