Los viejos alquimistas soñaban con convertir plomo en oro. En el CERN, ese sueño se ha cumplido en la práctica, pero de una forma que ningún orfebre podría aprovechar. El experimento ALICE del Gran Colisionador de Hadrones ha medido por primera vez cómo núcleos de plomo se transforman en oro en colisiones casi a la velocidad de la luz, creando cantidades diminutas de este metal precioso que solo existen durante un suspiro subatómico.
En números, el resultado impresiona y decepciona a la vez. Durante la segunda etapa de funcionamiento del LHC entre 2015 y 2018 se formaron unos 86 000 millones de núcleos de oro. Traducido a algo que entendemos todos, eso son unos 29 picogramos, es decir, 29 billonésimas de gramo, una cantidad invisible incluso con un microscopio. Las colisiones actuales alcanzan tasas de hasta 89 000 núcleos de oro por segundo, pero aun así estamos lejísimos de poder ver una mota de oro en el laboratorio.
¿Qué se está convirtiendo exactamente en qué? En la tabla periódica la diferencia básica entre plomo y oro es muy simple. El plomo tiene 82 protones en su núcleo y el oro 79. Si un núcleo de plomo pierde tres protones, pasa a ser oro. El físico Ulrik Egede lo resume de forma muy directa al explicar que, en teoría, basta con quitar esos tres protones, aunque recuerda que «no es fácil» hacerlo en la práctica.
Para lograrlo, los científicos no usan magia, sino campos eléctricos extremos. En el LHC se aceleran haces de núcleos de plomo hasta el 99,999993 por ciento de la velocidad de la luz. A esas velocidades, el campo electromagnético de cada núcleo se comprime en una especie de pulso muy intenso de fotones. Cuando dos núcleos pasan muy cerca uno del otro sin llegar a chocar de frente, estas colisiones denominadas ultraperiféricas pueden arrancar neutrones y protones del núcleo que reciben el impacto.
Ese proceso se conoce como disociación electromagnética. En la mayoría de los casos solo se emiten neutrones, pero cuando la energía del fotón es mayor también pueden salir protones. El nuevo trabajo de ALICE mide por primera vez, canal por canal, cuántas veces el plomo pierde cero, uno, dos o tres protones acompañados de neutrones. Es decir, cuántas veces el núcleo sigue siendo plomo, cuántas se convierte en talio, en mercurio o en oro.
Aquí entra en juego el instrumental fino. ALICE utiliza unos detectores especiales llamados calorímetros de cero grados, situados a más de cien metros del punto de colisión, que cuentan los neutrones y protones que salen disparados casi en línea recta con el haz. A partir de la energía depositada en esos detectores se reconstruye cuántas partículas se han emitido en cada evento y se calculan las secciones eficaces, que son la probabilidad de que ocurra cada tipo de transmutación.
El estudio compara estos datos con uno de los modelos teóricos de referencia, RELDIS. Y ahí aparecen las sorpresas. El modelo describe bien los casos en los que no se emiten protones y los canales en los que salen tres protones, asociados a la producción de oro. Sin embargo, subestima en torno a un 17–25 por ciento los eventos con uno o dos protones y sobreestima en un factor de dos o tres los canales donde se observa un protón acompañado de uno, dos o tres neutrones. Los físicos concluyen que el modelo necesita ajustes finos en cómo trata la emisión de protones y la fase intermedia de la reacción.
¿Y todo esto para qué sirve si no vamos a llenar cámaras acorazadas con oro del LHC? Por un lado, ayuda a comprender mejor las reacciones fotonucleares, procesos en los que la luz de alta energía modifica núcleos pesados. Esa misma física se utiliza para diseñar el futuro Colisionador Electrón Ión, donde será clave distinguir entre señales interesantes y fondo producido por protones y neutrones emitidos por las dianas. Por otro lado, estas transmutaciones «accidentales» no son inocuas para el propio acelerador. Cada vez que un núcleo de plomo se convierte en talio, mercurio o oro deja de seguir la órbita prevista, choca con las paredes del tubo y contribuye a las pérdidas de haz que limitan la vida útil de los haces y la luminosidad disponible para hacer física.
En el fondo, esta alquimia de alta tecnología tiene más que ver con la eficiencia y la seguridad que con la riqueza. Entender con precisión cuántos protones se pierden, en qué condiciones y con qué probabilidad permite a los equipos del CERN ajustar mejor los colimadores, planificar mejoras y aprovechar cada hora de funcionamiento del LHC. Es un buen recordatorio de que incluso en instalaciones gigantescas, donde la energía eléctrica y los recursos se cuentan en cifras astronómicas, los detalles se miden a escala de picogramos.
La nota de prensa oficial sobre este resultado, puede consultarse en la web del CERN en ALICE detects the conversion of lead into gold at the LHC.
