CERN e o Grande Colisor de Hádrons (LHC) produziram ouro a partir de chumbo - 86 bilhões de núcleos entre 2015 e 2018

Por algum tempo, na Idade Média, houve uma verdadeira febre por tentar transformar o discreto chumbo em ouro puro e reluzente.

Talvez aqueles alquimistas antigos devessem ter construído um colisor de partículas. De acordo com um novo artigo científico, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), do CERN, gerou cerca de 86 bilhões de núcleos de ouro a partir de núcleos de chumbo em alta velocidade durante a segunda rodada de operação do complexo, entre 2015 e 2018.

Isso, claro, não equivale a “muito ouro”: trata-se de meros trilionésimos de grama. E também não dura quase nada - apenas frações de segundo. O mais interessante, porém, é como os físicos conseguiram quantificar essa produção: contabilizando a quantidade de prótons associados aos nêutrons envolvidos nas interações do chumbo por meio dos calorímetros de grau zero (ZDCs) do detector ALICE (Experimento de Colisor de Íons Grande).

“Graças às capacidades únicas dos ZDCs do ALICE, a presente análise é a primeira a detectar e analisar sistematicamente a assinatura da produção de ouro no LHC de forma experimental”, explica a física Uliana Dmitrieva, da colaboração ALICE no CERN.

Do sonho da alquimia ao LHC do CERN

Na tabela periódica, chumbo e ouro ficam separados por poucas posições. O ouro tem 79 prótons, enquanto o chumbo tem 82; assim, em princípio, basta “arrancar” alguns prótons (e também alguns nêutrons) de um átomo de chumbo para chegar a um átomo de ouro.

A ideia se assemelha à crisopéia que os alquimistas tentavam realizar, mas, na prática, o caminho não é tão simples. É necessário um colisor de partículas capaz de acelerar núcleos a energias suficientemente altas para provocar esse tipo de “desprendimento”.

Em resumo, é um processo extremamente intensivo em energia e depende de equipamentos caríssimos e altamente especializados. Se o objetivo for obter ouro, este provavelmente é o método menos eficiente possível em termos de esforço, custo e recursos.

Ainda assim, o chumbo é uma escolha comum em experimentos de colisores, e a produção extremamente breve de ouro pode aparecer como subproduto.

Como o ALICE mediu a transmutação nuclear eletromagnética

Agora, a colaboração ALICE conseguiu medir a produção de ouro não a partir de núcleos de chumbo batendo diretamente uns nos outros, e sim a partir de “quase colisões”, quando eles passam muito perto enquanto circulam a 99.999993% da velocidade da luz dentro do LHC.

Nessas velocidades, o núcleo de chumbo - com seus 82 prótons carregados - distorce o campo eletromagnético no colisor na direção perpendicular ao seu movimento, criando um pulso de fótons quando dois núcleos de chumbo passam próximos o bastante.

Uma interação com um fóton pode então perturbar a estrutura interna de um núcleo de chumbo, levando-o a ejetar nêutrons e prótons.

E não é só ouro que aparece nesse mecanismo. A remoção de núcleons também pode gerar um núcleo de tálio com 123 nêutrons e 81 prótons, ou um núcleo de mercúrio com 121 nêutrons e 80 prótons.

Usando os ZDCs do ALICE para contar nêutrons livres acompanhados por um, dois ou três prótons, a colaboração quantificou, durante a mesma rodada do Grande Colisor de Hádrons, a produção desses três elementos.

Quanto ouro foi produzido - e por que ele some tão rápido

Tálio e mercúrio surgem em quantidades muito maiores do que o ouro; ainda assim, o ouro é atualmente produzido a uma taxa máxima de cerca de 89,000 núcleos por segundo, a partir de interações chumbo-chumbo ocorridas perto do ponto de colisão do ALICE no colisor.

Ao longo da segunda rodada do acelerador, o total de ouro gerado foi diminuto: apenas 29 picogramas, ou trilionésimos de grama. É uma escala usada para medir bactérias. Em apenas 1 grama de ouro existem sextilhões de átomos.

Além disso, os núcleos de ouro em alta velocidade acabam se chocando contra as laterais do Grande Colisor de Hádrons e se desintegram em uma cascata de prótons, nêutrons e elétrons quase imediatamente após se formarem. Os alquimistas medievais ficariam profundamente desapontados.

Nós, por outro lado, não. Trata-se de ciência fascinante. Cientistas conseguem não só arremessar átomos uns contra os outros a velocidades próximas à da luz, como também identificar as mudanças que esses átomos sofrem como resultado desse processo. Isso está muito além dos sonhos mais ousados dos nossos antepassados medievais.

“É impressionante ver que nossos detectores conseguem lidar com colisões frontais que produzem milhares de partículas”, diz o físico de partículas Marco van Leeuwen, da Universidade de Utrecht, porta-voz da colaboração ALICE, “e, ao mesmo tempo, serem sensíveis a colisões nas quais apenas algumas partículas são produzidas, permitindo o estudo de processos raros de ‘transmutação nuclear’ eletromagnética.”

Os resultados foram publicados na Revisão Física C.