點石成金終于實現了！歐洲核子研究中心成功實現了鉛變金煉金術

如果告訴你核物理學家已實現千年煉金士的終極夢想，將鉛變成了黃金，你會相信嗎？更令人震驚的是，這些金在產生后立即化為微塵！這并非科幻情節，而是2025年5月，歐洲核子研究中心（CERN）的ALICE合作組公布的驚人成果——科學家們通過大型強子對撞機（LHC）內的超高速鉛核碰撞，成功實現了"鉛變金"的現代煉金術。

中世紀煉金術士窮盡手段只為將廉價鉛化作珍貴黃金，但直到核物理誕生，這一夢才有了實現的可能。2025年5月，CERN的ALICE合作組公布：在2015–2018年
LHC第二運行期間，通過高速鉛—鉛近擦碰撞，共生成約860億個金核，質重僅29皮克克拉姆，隨后金核即撞擊管壁瞬間解體，卻憑借ALICE的高靈敏度探測器記錄完整。這項成果不僅讓"鉛變金"成為現實，更為研究重離子電磁解離機制提供了前所未有的實驗范本。

為什么科學家能做到煉金術士夢寐以求卻永遠無法實現的轉化？答案隱藏在原子核深處，而揭示這一奧秘的關鍵，正是人類有史以來建造的最龐大科學裝置——大型強子對撞機。

人類對元素轉化的癡迷可追溯至幾千年前。古埃及人嘗試用各種礦物和神秘材料將"卑金屬"變為黃金，后來的阿拉伯和歐洲煉金術士更是將此視為終極追求。事實上，古代學者觀察到鉛與金的同等體積下的重量差不多，所以就臆測可通過"凈化"移除鉛中的雜質來實現轉化。但化學方法對此無能為力，因為元素性質取決于原子核內的質子數，而常規化學反應只涉及電子層變化，無法改變原子核。

直到1919年，盧瑟福首次實現人工核反應——用α粒子轟擊氮原子核，成功將其轉變為氧核。這一里程碑實驗證明：在適當條件下，元素確實可以轉化。然而，自然界的核轉變遠早于人類實驗。超新星爆發和中子星碰撞等極端環境中，重元素正是通過原子核的劇烈轉變而形成。

20世紀初，核物理揭示：重核可在放射性衰變或中子轟擊下自發"轉子"，如放射性同位素衰變生成鉛、金等。早在1941年，美國物理學家曾用中子轟擊汞，成功獲得微量黃金，但產量極低且過程復雜，遠非實用技術。

然而，ALICE團隊采用了一種全新機制——超高能重離子近擦碰。當兩個鉛核以接近光速相遇卻不直接碰撞，其超強電磁場足以激發對方核內質子和中子逸出，脫核后鉛核減去3個質子即瞬間變為金核。

這種電磁解離機制，將核物理中的"元素轉化"由自然或中子轟擊擴展到重離子碰撞領域。與傳統核反應不同，電磁解離無需粒子直接命中原子核，而是通過"隔空"電磁相互作用實現核子剝離——就像兩列高速列車交錯而過產生的強大氣流足以吹走對方車頂的裝飾物。

這一機制首次被理論預言于20世紀70年代，但直到大型強子對撞機這樣的巨型加速器出現，科學家才能創造出足夠強大的電磁場驗證這一理論。值得注意的是，鉛-208僅損失3個質子變為金-197，這一過程比傳統的放射性衰變或聚變過程要溫和得多，卻能以驚人的效率實現元素轉變。

大型強子對撞機是現代科學的奇跡，其27公里環形隧道內，粒子被加速至幾乎光速。在LHC中的鉛—鉛束流，速度高達光速的99.999993%，兩束流在ALICE探測器處發生近擦碰。

這種近擦碰與通常研究的中央碰撞有本質區別。中央碰撞會使兩核直接相撞，產生夸克-膠子等離子體；而近擦碰時，核與核并不直接重疊，僅電荷產生的強電磁場相互作用，將能量注入對方核內。

在接近光速時，洛倫茲收縮效應使電磁場強度放大約25,000倍，達到驚人的1023伏特/米——這是地球上自然環境中最強電磁場的10?倍！如此強大的場強足以撼動原子核內的強核力束縛，使部分質子和中子逃逸，從而改變核的身份。

金核生成后會飛向管壁并碎裂，產生高能質子與中子。ALICE團隊使用零度量熱計，專門探測沿束流方向飛出的孤立中子與質子，通過計數"裸核"泄出粒子數精確反推生成何種新核，被稱為"粒子級煉金術"。

ALICE探測器系統堪稱現代科技奇觀，其18米高、16米長、16米寬的龐大裝置內，集成了18個子探測器，能以微米級精度追蹤粒子軌跡。ZDC探測器位于碰撞點兩側116米處，正好處于未發生碰撞的"旁觀者"中子前進路徑上，可精確測量這些中性粒子的能量。

探測過程堪稱與時間賽跑：金核生命期僅為皮秒級，ZDC探測器必須在這一轉瞬即逝的瞬間，捕捉到特征輻射信號并將其區分出來。這需要每秒處理超過40TB的原始數據，相當于同時觀看16,000部高清電影的信息量！

結合ZDC統計與模擬，ALICE團隊計算出Run 2期間共產生約86×10?金核，對應質量約29×10?12克；換算成傳統金衡制，僅為0.0000000000094盎司，按當前金價計算價值約不足千分之一美分。

盡管質量微不足道，但產生速率令人印象深刻。金核最大產量可達8.9×10?個/秒，這遠超過任何傳統核反應能達到的轉化效率。然而，這些珍貴的金核隨后迅速粉碎成質子、中子等基本粒子，生命期僅幾皮秒級別，來不及被收集利用就已灰飛煙滅。

ALICE的分析不僅確認了金核的生成，還同步測量了汞與鉈同類產物。這些發現共同構成了對電磁解離機制的全面驗證，揭示出不同剝離通道的幾率分布。

當兩個鉛-208核近擦碰時，電磁場會誘導多種反應路徑。最主要的金核形成途徑是：

鉛-208失去3個質子和8個中子→金-197

鉛-208失去3個質子和9個中子→金-196

鉛-208失去3個質子和7個中子→金-198

通過精確能量分析，ALICE團隊識別出這三條主要通道，其中金-197的產量最高，探測到總數約860億個，產率最高時約89,000個/秒。這與理論預期相符，因為金-197是自然界中唯一穩定的金同位素。

除金核外，ALICE同時記錄到更豐富的"煉金"產物：

汞核（Hg-）：由鉛-208失去2個質子形成，主要同位素為汞-204至汞-206

鉈核（Tl-）：由鉛-208失去1個質子形成，主要同位素為鉈-207

這些元素分別由去除2個或1個質子生成，產量相對更高，但這些"煉金"副產品同樣瞬間解體，只有金核極其稀有。通過測量不同產物的相對產量比，科學家們可以精確驗證理論模型對不同剝離通道的預測。

這些短命金核生成后立刻撞擊探測器內壁，解體為更輕粒子，其特征信號在ALICE記錄中清晰顯現，完美還原"金生金毀"全過程。一個典型的金核從形成到解體，整個生命歷程不足10?11秒，卻在這短暫時光中完成了元素身份的轉變。

ALICE團隊的計算表明，如果能收集LHC運行期間產生的所有金核（這在技術上不可能實現），總量大約為29皮克，肉眼完全無法分辨。這也解釋了為何我們無法用這種方式"制造"宏觀數量的黃金——能量投入與產出嚴重不成比例，違背能量守恒原理。

本實驗最直接的科學貢獻是全面驗證了電磁解離理論模型。實驗證實，強電磁場足以觸發重核的多核子剝離反應，為理論模型提供關鍵數據。這些數據精確到可區分單核子剝離與多核子剝離的幾率比，為核反應數據庫增添了珍貴參考。

在這過程中，科學家們實現了一個古老夢想，同時開辟了核物理研究的新領域。那些轉瞬即逝的金核，雖因質量微小而無法成為珍寶，卻因其科學價值而彌足珍貴——它們是人類智慧與探索精神的真正結晶，比任何實物黃金都更加閃耀。