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 em torno da tentativa de transformar o modesto chumbo em ouro puro e reluzente.

Talvez aqueles antigos alquimistas devessem ter construído um colisor de partículas. De acordo com um novo estudo, o Grande Colisor de Hádrons do CERN produziu cerca de 86 bilhões de núcleos de ouro a partir de núcleos de chumbo em alta velocidade durante a segunda operação da instalação, entre 2015 e 2018.

Isso, na prática, não representa muito ouro – apenas trilionésimos de grama. E também não dura quase nada – só frações de segundo. Mas o mais interessante aqui é a forma como os físicos mediram essa produção de ouro: contando o número de prótons que acompanham os nêutrons envolvidos 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 de forma sistemática, experimentalmente, a assinatura da produção de ouro no LHC”, explica a física Uliana Dmitrieva, da colaboração ALICE no CERN.

Na tabela periódica, chumbo e ouro estão separados por apenas algumas posições. O ouro tem 79 prótons e o chumbo tem 82, então, em essência, basta remover alguns prótons (além de alguns nêutrons) de um átomo de chumbo para obter um átomo de ouro.

O processo é análogo à crisopéia buscada pelos alquimistas, mas, na prática, a coisa não é tão simples assim. É preciso um colisor de partículas capaz de acelerar partículas a energias suficientemente altas para provocar esse “desprendimento”.

Em resumo, é um processo que exige muita energia e depende de equipamentos caríssimos e altamente especializados. Se a ideia é obter ouro, provavelmente esse é o meio menos eficiente possível em termos de esforço, custo e recursos.

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

A colaboração ALICE agora conseguiu quantificar essa produção de ouro não a partir de núcleos de chumbo se chocando diretamente, mas de quase colisões, enquanto eles circulam a 99,999993% da velocidade da luz no Grande Colisor de Hádrons.

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 de chumbo passam perto o suficiente um do outro.

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

E não é só ouro que surge desse processo. A remoção de núcleons 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 de um, dois ou três prótons, a colaboração quantificou a produção dos três elementos durante a mesma etapa de operação do Grande Colisor de Hádrons.

Tálio e mercúrio são produzidos em quantidades bem maiores do que ouro, mas este último atualmente é gerado a uma taxa máxima de cerca de 89 mil núcleos por segundo, a partir de colisões chumbo-chumbo próximas ao ponto de colisão do ALICE no colisor.

Na segunda operação do acelerador de partículas, a quantidade de ouro produzida foi minúscula – apenas 29 picogramas, ou trilionésimos de grama. Essa é a escala em que bactérias costumam ser medidas. Há sextilhões de átomos em apenas um único grama de ouro.

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 chuva de prótons, nêutrons e elétrons quase no instante em que se formam. Os alquimistas medievais certamente ficariam profundamente decepcionados.

Nós, porém, não. Trata-se de uma ciência realmente fascinante. Os cientistas não apenas conseguem arremessar átomos uns contra os outros a velocidades próximas à da luz, como também conseguem determinar as transformações que esses átomos sofrem como resultado disso. Isso vai muito além dos sonhos mais ousados de 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 e porta-voz da colaboração ALICE, “ao mesmo tempo em que também são sensíveis a colisões nas quais apenas algumas partículas são produzidas por vez, permitindo o estudo de raros processos eletromagnéticos de ‘transmutação nuclear’.”

Os resultados foram publicados na Physical Review C.