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

Virar chumbo em ouro foi, por um tempo, quase uma obsessão - especialmente na Idade Média, quando alquimistas buscavam transformar um metal comum em algo valioso e reluzente.

Se eles tivessem acesso a um acelerador de partículas, talvez ficassem intrigados: um novo artigo relata que o Grande Colisor de Hádrons (LHC), do CERN, gerou cerca de 86 bilhões de núcleos de ouro a partir de núcleos de chumbo em altíssima velocidade durante a segunda operação do acelerador, entre 2015 e 2018.

Isso, na prática, não representa muito ouro - apenas trilionésimos de grama. E também não dura: são só frações de segundo. O que chama atenção, porém, é como os físicos conseguiram medir essa produção: contando o número de prótons que acompanham nêutrons nas interações do chumbo, usando os calorímetros de grau zero (ZDCs) do detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

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

Na tabela periódica, chumbo e ouro ficam separados por poucas posições. O ouro tem 79 prótons e o chumbo tem 82, então, em essência, basta “arrancar” alguns prótons (além de alguns nêutrons) de um átomo de chumbo para terminar com um átomo de ouro.

O processo lembra a crisopéia que os alquimistas tentavam fazer, mas, na prática, não é tão simples assim. É preciso um colisor de partículas capaz de acelerar núcleos a energias altas o bastante para que essa “remoção” aconteça.

Em resumo, isso exige energia em excesso e equipamentos caríssimos e altamente especializados. Se a ideia é obter ouro, esse provavelmente é o jeito menos eficiente possível, considerando esforço, custo e recursos.

Ainda assim, o chumbo é uma escolha comum em experimentos de colisores, o que acaba levando à produção rapidíssima de ouro como subproduto.

Agora, a colaboração ALICE quantificou essa produção de ouro não a partir de núcleos de chumbo batendo diretamente uns nos outros, mas de “quase colisões” - quando eles passam muito perto enquanto circulam no LHC a 99,999993% da velocidade da luz.

Nessas velocidades, o núcleo de chumbo, com seus 82 prótons carregados, “achata” o campo eletromagnético no colisor na direção perpendicular ao movimento, gerando um pulso de fótons quando dois núcleos passam perto o suficiente um do outro.

Uma interação com um fóton pode então perturbar a estrutura interna do núcleo de chumbo, fazendo com que ele expulse nêutrons e prótons.

E não é só ouro que aparece nesse processo. A remoção de núcleons também pode produzir 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 “soltos” acompanhados de um, dois ou três prótons, a colaboração conseguiu quantificar a produção dos três elementos ao longo da mesma fase de operação do LHC.

Tálio e mercúrio surgem em quantidades bem maiores que ouro, mas este último atualmente é produzido a uma taxa máxima de cerca de 89.000 núcleos por segundo, a partir de colisões chumbo-chumbo perto do ponto de colisão do ALICE no colisor.

Na segunda operação do acelerador, o total de ouro produzido foi minúsculo - apenas 29 picogramas, ou trilionésimos de grama. É uma escala comparável à usada para medir bactérias. E existe uma quantidade absurda de átomos: há sextilhões deles em apenas 1 grama de ouro.

Além disso, esses núcleos de ouro em alta velocidade acabam se chocando contra as paredes do LHC e se desintegram em uma chuva de prótons, nêutrons e elétrons quase imediatamente após se formarem. Os alquimistas medievais certamente ficariam muito decepcionados.

Nós, por outro lado, não. Isso é ciência fascinante. Não só é possível lançar átomos uns contra os outros a quase a velocidade da luz, como também dá para determinar as mudanças que esses átomos sofrem como resultado. Isso vai muito além do que os nossos antepassados medievais poderiam imaginar.

“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 e porta-voz da colaboração ALICE, “e ao mesmo tempo ser sensíveis a colisões em que apenas algumas partículas são produzidas, permitindo o estudo de processos raros de ‘transmutação nuclear’ eletromagnética.”

As conclusões foram publicadas na revista Physical Review C.