Des scientifiques au CERN ont réussi à créer de petites quantités d’or à partir de plomb grâce à une expérience innovante. Cela a été réalisé en utilisant des ions de plomb dans le grand collisionneur de hadrons, montrant ainsi le potentiel des transformations nucléaires.
Les chercheurs du CERN ont réussi à produire de l’or à partir de plomb, mais seulement pour une brève période. En utilisant le détecteur de particules ALICE du Large Hadron Collider (LHC), le plus grand accélérateur de particules au monde, ils ont fait interagir des ions de plomb à des vitesses extrêmement élevées, générant de très petites quantité d’or – 29 picogrammes au total, soit un milliardième de milligramme.
“La transformation du plomb en or est le rêve des alchimistes médiévaux réalisé à l’LHC”, indiquent les chercheurs dans un article publié dans le Physical Test Journals, où ils expliquent la science derrière cette transformation. Ce phénomène repose sur une différence clé entre le plomb et l’or : un atome de plomb est composé d’exactement trois protons en plus d’un atome d’or, ce qui rend possible la création de l’or en retirant trois protons du noyau de plomb.
Cependant, cette “extraction” est complexe, car les particules du noyau sont maintenues ensemble par une force très intense connue sous le nom de force nucléaire forte. Pour retirer des protons d’un noyau de plomb, il est donc nécessaire d’avoir un champ électrique extrêmement puissant, environ un million de fois plus intense que ceux provoquant des éclairs dans l’atmosphère. Les scientifiques ont créé ce champ en faisant entrer en collision des faisceaux d’ions plomb à des vitesses proches de celle de la lumière.
Le processus de transformation du plomb en or
Transformer le plomb en or n’est donc plus seulement un rêve alchimique : avec l’avènement de la physique nucléaire, il a été révélé que certains éléments lourds peuvent se transformer en d’autres éléments, soit naturellement par désintégration radioactive, soit en laboratoire, sous l’impact de neutrons ou de protons. Les chercheurs du CERN ont réussi ce tour de force en utilisant un mécanisme novateur, provoquant l’expulsion de trois protons du noyau de plomb et le transformant en un noyau d’or.
Cela s’est produit lorsque les noyaux de deux faisceaux d’ions plomb, accélérés dans des directions opposées au sein de l’LHC, s’effleurent plutôt que de percuter frontalement : le puissant champ électromagnétique entourant les ions engendre un pic d’énergie sous forme de photons, incitant à l’expulsion de trois protons d’un noyau de plomb pour générer un noyau d’or.
Illustration de deux faisceaux d’ions de plomb (208 Pb) qui se croisent sans entrer en collision : lors de la dissociation électromagnétique, un photon impactant un noyau de plomb peut générer des oscillations dans la structure interne, provoquant l’expulsion de deux neutrons et trois protons, convertissant le noyau en or (203 Au) / Crédit : CERN
Dans ce processus de “transmutation nucléaire électromagnétique”, les chercheurs ont estimé avoir produit de l’or à une cadence maximale d’environ 89 000 noyaux par seconde ; en particulier, en tenant compte du nombre d’interactions photon-noyau avec les calorimètres à zéro degré (ZDC) du détecteur ALICE, il a été établi que durant les quatre principaux essais du Run 2 de l’LHC (2015-2018), environ 86 milliards de noyaux d’or ont été générés, ce qui représente un total de 29 picogrammes d’or (2.9 × 10^-11 g).
La majorité de ces noyaux, qui étaient instables et rapides, ont seulement existé pendant environ 1 microseconde avant de percuter les parois de l’équipement experimentel ou de se fragmenter en d’autres particules. “Grâce aux capacités uniques des ZDC d’ALICE, cette analyse constitue la première à détecter et analyser systématiquement la signature de production d’or à l’LHC sur le plan expérimental”, ont précisé les chercheurs du CERN. “Les résultats servent également à tester et affiner les modèles théoriques de dissociation électromagnétique qui, en plus de leur intérêt propre pour la physique, sont utilisés pour mieux comprendre et anticiper les pertes de faisceau d’ions, un facteur crucial pour l’efficacité de l’LHC et des futurs accélérateurs.”