LHCで鉛が金に変換される現象を初めて検出
(home.cern)- CERNのALICEコラボレーションが、LHCで鉛原子核が金原子核に変わる過程を定量的に測定し、Physical Review Journalsに発表した
- この現象は、正面衝突よりはるかに頻繁に起こる近接衝突で、強い電磁場が光子–原子核相互作用を誘起することで発生する
- 鉛は陽子82個、金は79個を持つため、LHCビーム中の鉛原子核から陽子3個が離脱しなければ金にならない
- ALICEはZDCで放出された陽子数を数え、鉛・タリウム・水銀・金の生成を区別し、ALICE衝突点では金原子核が最大で毎秒約89,000個の割合で作られる
- 2015〜2018年のRun 2期間中、4つの主要実験で約860億個の金原子核が生成されたが、その質量は29ピコグラムにすぎず、生成された金はビームパイプやコリメータに衝突して即座に砕ける
鉛から金への核変換の測定
- ALICEコラボレーションは、CERNのLarge Hadron Colliderで鉛が金に変換される現象を定量化した測定結果をPhysical Review Journalsに発表した
- 中世の錬金術の夢だった鉛の金への変換は化学的方法では不可能だが、20世紀の核物理学以降、重元素が放射性崩壊や粒子衝突によって別の元素になり得ることが知られている
- 金はこれまでも人工的に作られたことがあるが、今回の測定はLHCの鉛原子核による近接衝突で起こるメカニズムを対象としている
正面衝突より頻繁に起こる近接衝突
- LHCの高エネルギー鉛–鉛正面衝突では、ビッグバン後およそ100万分の1秒ごろに宇宙を満たしていたと考えられる、高温高密度の物質状態であるクォーク–グルーオン・プラズマを作り出すことができる
- より頻繁に起こる相互作用では、2つの原子核は互いに「接触」せずにかすめて通過し、その周囲の強い電磁場が光子–光子および光子–原子核相互作用を誘起する
- 鉛原子核は陽子82個を含むため、電磁場が特に強い
- LHC内の鉛原子核は、光速の**99.999993%**に相当する非常に高い速度で移動している
- この速度のため、電磁場の力線は運動方向に垂直な薄いパンケーキ状に圧縮される
- その結果、短時間だけ持続する光子パルスが生じる
金原子核が作られる過程
- 光子が原子核と相互作用すると、原子核内部構造の振動を励起でき、この過程は電磁解離と呼ばれる
- 電磁解離は、少数の中性子と陽子を放出させることがある
- LHCビーム中の鉛原子核から金を作るには、陽子82個のうち3個を取り除く必要がある
- 鉛原子核: 陽子82個
- 金原子核: 陽子79個
- 模式図では、2本の208Pb鉛イオンビームが衝突せずに近接して通過し、光子–原子核相互作用によって中性子2個と陽子3個が放出され、203Auの金原子核が残る超周辺衝突を示している
ALICE ZDCが識別した元素生成
- ALICEチームは、検出器のzero degree calorimeters (ZDC) を用いて、光子–原子核相互作用の後に放出された陽子数を数えた
- 陽子0個と少なくとも1個の中性子放出: 鉛の生成に対応
- 陽子1個と少なくとも1個の中性子放出: タリウムの生成に対応
- 陽子2個と少なくとも1個の中性子放出: 水銀の生成に対応
- 陽子3個と少なくとも1個の中性子放出: 金の生成に対応
- 金の生成は、タリウムや水銀の生成よりも起こる頻度が低い
- 現在のLHCは、ALICE衝突点での鉛–鉛衝突において、最大で毎秒約89,000個の原子核という割合で金を生成している
- 生成された金原子核は非常に高いエネルギーで衝突点から飛び出し、下流の複数の地点でLHCのビームパイプやコリメータに衝突する
- 金原子核はその場で単一の陽子、中性子、その他の粒子へと即座に砕け、きわめて短時間しか存在しない
生成量はごくわずかだがビーム損失の理解に重要
- ALICEの解析によれば、LHC Run 2期間の2015〜2018年に4つの主要実験で約860億個の金原子核が生成された
- 質量にすると29ピコグラム、すなわち2.9 × 10^-11 gに相当する
- LHCは定期的なアップグレードによって光度が継続的に向上しており、Run 3ではRun 2のほぼ2倍に相当する金が生成される
- 総生成量は、それでもアクセサリー1つを作るのに必要な量より数兆倍少ない
- ALICE ZDCの機能により、今回の解析はLHCでの金生成シグナルを実験的に体系立てて検出・解析した初の事例となった
- この結果は電磁解離の理論モデルの検証と改良に用いられる
- このモデルは、LHCおよび将来の衝突型加速器の性能を制限する主要因であるビーム損失を理解し予測するために使われる
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
関連箇所はこれ: 「ALICEの分析によると、LHC Run 2（2015〜2018）の期間中に4つの主要実験で約860億個の金原子核が生成された。質量にすると29ピコグラム（2.9 ×10-11 g）に相当する」
1オンスを作るには桁を何兆倍にも拡大する必要があるが、鉛を金に変えること――数多くの錬金術師の夢――が、いまや粒子加速器の副産物になった
金1グラムには金原子核が1,000 billion billion個入っている
Brookhaven National Labで博士論文研究をしていたが、そこにはLHC重イオン計画の前身であるRHICがある
当時、ある上級科学者が進行中のプログラムレビューで交わされた会話を話してくれた。その頃RHICは重イオン計画で金を衝突させていて、あるレビュアーが鉛のようなもっと安い元素に変えればコストを節約できるのではないかと尋ねた。RHIC側の誰も何と答えればよいかわからなかったそうだ。正確な数字は覚えていないが、計画全期間を通じてRHICが使った金はおよそ1ミリグラム未満だった
ウェハーを入れるベル型チャンバーがあり、ウェハーの大きさに関係なくチャンバー内部全体が均一に金でコーティングされた。装置を運用していた技術者は自分のサンプルと一緒に指輪をチャンバーに入れておき、何年もかけて層を積み重ねて少しずつ「金に変えて」いた
生成された金は金-203で、放射性があり、1分で水銀-203に崩壊する。水銀-203も放射性だ。私たちが知っている金は金-197だ
鉛を金に変えた最初の事例でもまったくない。鉛を金-197に変換する実験は1980年にすでに行われていた。こうしたケースはいずれも生成量が少なすぎて、貴金属としての価値は実質ゼロだ
興味本位で、LHCとALICEがFCCの費用を自己調達できるだけの金を作るにはどれくらいかかるか計算してみた。現在のCHF建て金価格で150億CHFを仮定し、完全な条件であらゆる制約を無視した場合だ
結論は、連続稼働で約1850億年かかる。ちなみに宇宙の年齢は約140億年だ。ここではハッブルテンションは無視する
技術の進歩についての議論を聞くたびに、こう考えてしまう。20世紀初頭にも、多くの人が技術の頂点に近づいたと考えていたという話がよく出てきて、今でも同じ主張が出るたびにその話がまた持ち出される。
今の私たちがそこまで来たとは思わないが、近づいている限界は知識の限界というより、資源と工学の限界に近い気がする。文字どおりの錬金術はあるが、有意な量の金を作る能力はない。やり方を知らないからではなく、実用的ではないからだ。材料科学、化学、ひょっとすると物理学は、実用技術の面でこれからどれだけ多くをもたらせるのだろうか。確かにまだ多いだろうが、これらの分野の技術進歩の速度がこのまま維持されるとは思わない。もちろん、すぐに技術へ応用されなくても、学ぶべきことは膨大にある。
応用可能で実用的な知識が本当に豊富に残っているのは、生化学と生物学だと思う。まだ表面も引っかけた程度だ。光より速く移動する方法は永遠に見つからないかもしれないが、身体を何百年、あるいは何千年も停止状態に保てるよう適応させられるなら、大した問題ではないかもしれない。生物学を容易に操作できるようになることは、核拡散よりはるかに危険だと感じる。とにかく、この分野の専門家ではないが。
まだ探索されていないメタマテリアルや分子機械の設計空間は非常に広い。
これは、優れた理論的枠組みや数学的手法、計算能力があってもオングストローム以下のスケールではある程度までしか扱えず、ミリメートル以上のスケールではFEMのような機械工学ツールがある一方で、実際の物性の大半が生じるナノ〜マイクロスケールは事実上計算不可能だからだ。原子が数個しかない軽い系を超える第一原理の物性計算も、まだ難しいと思う。自分は高等数学や微積分に強い直感があってこういう問題を解けるタイプではないので、この分野の大学院研究の性格は個人的にはあまり魅力を感じなかった。それでも半導体ファブや触媒の研究室は、体系的で反復的な大量実験のやり方で大きな進歩を生み出してきた。
ナノ〜マイクロスケールの計算可能性が突破されれば、産業革命や情報技術革命に匹敵する巨大な変化を生むだろう。生物学革命にも、タンパク質操作のためには基本的に同様の計算可能性が必要だと思うが、細菌を活用する迂回路もありそうだ。ここ数年、ナノ〜マイクロスケールの数学や計算可能性の進展を示唆する論文をときどき目にしており、だから技術的に大きな前進があるだろうとかなり希望を持っている。
その二つの関係を説明する原理があるのか、考えてみる価値はある。かつて壁にぶつかったように感じたのは、民主主義が直面している明白な危機、コンピュータ処理性能の限界、サービスが内側から劣化していくエンシティフィケーション、高速鉄道のようなことを実現できない現実、自動運転車の遅い進展、そして都市の既存建築が長く残るせいで一夜にしてサイバーパンク風に変わるわけではないと気づいたことのためだった。
しかし、私たちの時代が民主主義への脅威、パンデミック、戦争によって記憶されるのでなかったなら、科学の最前線で本当に重要な発展があった時代として記憶される余裕があったのかもしれない。CRISPRとAIだけでも、一時代を代表する業績として十分だ。だから元の論点に戻ると、これまでの進歩は、知識の最前線を応用可能性へ移し替える能力がまもなく鈍化する証拠には、まだなっていないと思う。考えは理解できるが、私はもう少し楽観的だ。
物理学者たちが卑金属を金に変えることに執着していた本当の理由は、実はLHCだったのではないかと思ってしまう。
Newtonは生涯のおよそ30年を錬金術に費やしており、他の業績は実際には副業に近かった。
歴史的に、なぜ鉛と金がそれほど密接に結び付けられていたのか気になる。なぜ錬金術師たちは鉛を金に変えることに集中したのだろうか。鉄や石英のような石から始めなかったのはなぜだろう。ただ両方とも重くて柔らかい金属だったからだろうか？
当時の知識だけを前提にすれば、そうひどい理論でもなかった。どの金属も結局は地面から出てくるのだから。鉛を金に変えようという発想は魔術的思考ではなく、自然条件を実験室で再現し加速させようとする試みだった。現代の私たちが何百もの別の方法でやっていることと似ている。もし誰かが成功していたなら、その時代の二重スリット実験のように、錬金術理論が正しいことの完全な証明になっていただろう
中世映画でコインを噛む場面を見たことがあるだろうが、あれは金なのか鉛なのかを確かめるための行動だった。だから鉛は偽物の化身であり、偽物を本物に変えるということでもあった
「chrysopoeiaとして知られるこの古くからの探求は、くすんだ灰色で比較的豊富な鉛が、美しい色と希少性ゆえに長く憧れの対象だった金と似た密度を持つ、という観察に動機づけられた可能性がある」
錬金術が変えようとしていたのは原子的性質というより、実験室でもっと安い金を作るために、融点や色のような金の特定の性質を鉛に移すことだったのかもしれない
銀を金に変えようとする試みも当然あったはずだ。銀のほうが重さはさらに近いので、必要な変化もより小さいと考えられただろうから
錬金術師たちに必要だったのは大型粒子衝突型加速器だけだった。時代をあまりにも先取りしていた人たちだった
L. Ron HubbardのMission Earth SFシリーズで、何年も記憶に残っている場面がある。地球潜入任務を準備していた主人公、実質的には悪役に近い人物が、自分の都市の核融合発電所が立ち並ぶ場所へ行き、持っていくための金を大量に注文する。
結果的に地球経済を崩壊させるほどの量の金になる。だが長く印象に残ったのは、元素を受注生産するという発想だった
これは単に粒子加速器の中で標的を直接砲撃したのではなく、CERNでの近接衝突によって鉛を金に変える新しい方法だ。生成量は極微量で、しかも放射性である