Grande Colisor de Hádrons do CERN produziu ouro a partir de chumbo

Durante algum tempo, na Idade Média, existiu uma verdadeira obsessão em transformar chumbo comum em ouro puro e reluzente.

Talvez esses antigos alquimistas devessem ter construído um acelerador de partículas. Segundo um novo artigo científico, o Grande Colisor de Hádrons do CERN gerou cerca de 86 mil milhões de núcleos de ouro a partir de núcleos de chumbo lançados a alta velocidade durante a segunda operação da instalação, entre 2015 e 2018.

Ouro produzido no Grande Colisor de Hádrons

Na realidade, esta quantidade de ouro é diminuta: apenas trilionésimos de grama. Além disso, dura muito pouco, sobrevivendo somente durante fracções de segundo. O aspecto mais notável é a forma como os físicos mediram esta produção de ouro: contaram os protões que acompanham os neutrões envolvidos nas interacções de chumbo, recorrendo aos calorímetros de zero grau (ZDCs) do detector ALICE (Experiência de Colisor de Iões Pesados de Grande Dimensão).

"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, o chumbo e o ouro estão separados por apenas algumas posições. O ouro possui 79 protões, enquanto o chumbo tem 82; assim, ao remover alguns protões - juntamente com alguns neutrões - de um átomo de chumbo, pode obter-se um átomo de ouro.

O mecanismo é semelhante à crisopéia procurada pelos alquimistas, embora, na prática, seja bem menos simples. É necessário um colisor de partículas capaz de acelerar partículas até energias suficientemente elevadas para provocar essa remoção.

Em suma, trata-se de um processo extremamente exigente em energia, que depende de equipamento altamente especializado e muito dispendioso. Para quem pretende obter ouro, será provavelmente o método menos eficiente em termos de esforço, custo e recursos.

Ainda assim, o chumbo é uma opção frequente em experiências com colisores de partículas, o que leva à produção muito breve de ouro como subproduto.

Como os núcleos de chumbo dão origem ao ouro

A colaboração ALICE quantificou agora a produção de ouro não a partir de núcleos de chumbo que embatem directamente uns nos outros, mas através de quase-colisões, quando circulam no Grande Colisor de Hádrons a 99,999993 por cento da velocidade da luz.

A estas velocidades, o núcleo de chumbo, que contém 82 protões carregados, comprime o campo electromagnético no colisor na direcção perpendicular ao seu movimento. Quando dois núcleos de chumbo passam suficientemente perto um do outro, essa situação gera um pulso de fotões.

A interacção com um fotão pode então perturbar a estrutura interna de um núcleo de chumbo, levando-o a expelir neutrões e protões.

Não é apenas ouro que resulta deste processo. A remoção de nucleões pode formar um núcleo de tálio com 123 neutrões e 81 protões, ou um núcleo de mercúrio com 121 neutrões e 80 protões.

Com os ZDCs do ALICE, que contabilizam neutrões livres acompanhados por um, dois ou três protões, a colaboração mediu a produção dos três elementos durante a mesma operação do Grande Colisor de Hádrons.

O tálio e o mercúrio são produzidos em quantidades muito superiores às do ouro. Ainda assim, este último é actualmente criado a uma taxa máxima de cerca de 89.000 núcleos por segundo, em colisões chumbo-chumbo próximas do ponto de colisão do ALICE no colisor.

Quantidades minúsculas e transmutação nuclear

Durante a segunda operação do acelerador de partículas, a quantidade de ouro produzida foi microscópica: apenas 29 picogramas, ou trilionésimos de grama. Esta é a escala usada para medir bactérias. Num único grama de ouro existem sextiliões de átomos.

Além disso, os núcleos de ouro a alta velocidade embatem nas paredes do Grande Colisor de Hádrons e desfazem-se numa chuva de protões, neutrões e electrões quase imediatamente após se formarem. Os alquimistas medievais teriam ficado profundamente desapontados.

Nós, porém, não. Trata-se de ciência verdadeiramente fascinante. Os cientistas não só conseguem lançar átomos uns contra os outros a velocidades próximas da luz, como também conseguem identificar as alterações que esses átomos sofrem em consequência desses impactos. Isto ultrapassa em muito os sonhos mais ousados dos nossos antepassados medievais.

"É impressionante verificar que os nossos detectores conseguem lidar com colisões frontais que produzem milhares de partículas", afirma o físico de partículas Marco van Leeuwen, da Universidade de Utrecht e porta-voz da colaboração ALICE, "e, ao mesmo tempo, serem sensíveis a colisões nas quais são produzidas apenas algumas partículas de cada vez, permitindo estudar processos raros de 'transmutação nuclear' electromagnética."

Os resultados foram publicados na revista Physical Review C.