Wissenschaftler, die den Urknall nachahmen, verwandeln Blei versehentlich in Gold

Mittelalterliche Alchemisten träumten davon, Blei in Gold umzuwandeln.

Heute wissen wir, dass Blei und Gold unterschiedliche Elemente sind und keine noch so große Chemie das eine in das andere umwandeln kann.

Doch unser modernes Wissen verrät uns den grundlegenden Unterschied zwischen einem Bleiatom und einem Goldatom: Das Bleiatom enthält genau drei weitere Protonen. Können wir also ein Goldatom erzeugen, indem wir einfach drei Protonen aus einem Bleiatom herausziehen?

Wie sich herausstellt, können wir es. Aber es ist nicht einfach.

Während Physiker, die am ALICE-Experiment am Large Hadron Collider in der Schweiz arbeiteten, Bleiatome mit extrem hoher Geschwindigkeit ineinander schleuderten, um den Zustand des Universums kurz nach dem Urknall nachzuahmen, produzierten sie zufällig kleine Mengen Gold.

Tatsächlich handelt es sich um äußerst kleine Mengen: insgesamt etwa 29 Billionstel Gramm.

Wie man ein Proton stiehlt

Protonen befinden sich im Atomkern. Wie können sie herausgezogen werden?

Nun, Protonen haben eine elektrische Ladung, was bedeutet, dass ein elektrisches Feld sie anziehen oder verschieben kann. Dies könnte geschehen, indem man einen Atomkern in ein elektrisches Feld bringt.

Kerne werden jedoch durch eine sehr starke Kraft mit sehr kurzer Reichweite zusammengehalten, die imaginär als starke Kernkraft bezeichnet wird. Das bedeutet, dass zum Herausziehen von Protonen ein extrem starkes elektrisches Feld erforderlich ist – etwa eine Million Mal stärker als die elektrischen Felder, die Blitze in der Atmosphäre erzeugen.

Die Art und Weise, wie die Wissenschaftler dieses Feld schufen, bestand darin, Strahlen aus Bleikernen mit unglaublich hoher Geschwindigkeit – fast Lichtgeschwindigkeit – aufeinander abzufeuern.

Die Magie eines Beinaheunfalls

Wenn die Bleikerne frontal zusammenstoßen, kommt die starke Kernkraft ins Spiel und sie werden am Ende vollständig zerstört. Aber häufiger kommt es zu einem Beinahe-Zusammenstoß zwischen den Kernen und sie beeinflussen sich gegenseitig nur über die elektromagnetische Kraft.

Die Stärke eines elektrischen Feldes nimmt sehr schnell ab, wenn man sich von einem elektrisch geladenen Objekt (z. B. einem Proton) entfernt. Aber auf sehr kurze Entfernungen kann bereits eine winzige Ladung ein sehr starkes Feld erzeugen.

Wenn also ein Bleikern einfach an einem anderen vorbeistreift, ist das elektrische Feld zwischen ihnen riesig. Das sich schnell ändernde Feld zwischen den Kernen bringt sie zum Schwingen und spuckt gelegentlich Protonen aus. Spuckt einer von ihnen genau drei Protonen aus, hat sich der Bleikern in Gold verwandelt.

Protonen zählen

Wenn Sie also ein Bleiatom in Gold verwandelt haben, woher wissen Sie das? Im ALICE-Experiment verwenden sie spezielle Detektoren, sogenannte Null-Grad-Kalorimeter, um die aus den Bleikernen herausgelösten Protonen zu zählen.

Sie können die Goldkerne selbst nicht beobachten und wissen daher nur indirekt von ihnen.

Die ALICE-Wissenschaftler haben berechnet, dass sie, während sie Strahlen aus Bleikernen kollidieren, etwa 89.000 Goldkerne pro Sekunde produzieren. Sie beobachteten auch die Produktion anderer Elemente: Thallium, das entsteht, wenn man aus Blei ein Proton gewinnt, sowie Quecksilber (zwei Protonen).

Ein alchemistisches Ärgernis

Sobald sich ein Bleikern durch den Verlust von Protonen umgewandelt hat, befindet er sich nicht mehr auf der perfekten Umlaufbahn, die ihn im Vakuumstrahlrohr des Large Hadron Collider zirkulieren lässt. Innerhalb von Mikrosekunden wird es mit den Wänden kollidieren.

Durch diesen Effekt wird der Strahl mit der Zeit weniger intensiv. Für Wissenschaftler ist die Goldproduktion am Collider also eher ein Ärgernis als ein Segen.

Das Verständnis dieser zufälligen Alchemie ist jedoch unerlässlich, um Experimente zu verstehen – und um die noch größeren Experimente der Zukunft zu entwerfen.