피지컬 리뷰 C에 발표된 논문에서 ALICE 협업은 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에서 납이 금으로 변하는 것을 정량화하는 측정값을 보고합니다.
기본 금속 납을 귀중한 금속 금으로 변환하는 것은 중세 연금술사의 꿈이었습니다. 번데기(chrysopoeia)로 알려진 이 오랜 탐구는 둔한 회색의 비교적 풍부한 납이 아름다운 색과 희소성을 가진 금과 비슷한 밀도를 가지고 있다는 관찰에 의해 동기가 부여되었을 수 있습니다. 한참 후에야 비로소 납과 금이 별개의 화학 원소라는 것과 화학적 방법으로는 서로 변형시킬 힘이 없다는 것이 분명해졌습니다.
20세기에 핵물리학이 시작되면서, 무거운 원소가 방사성 붕괴에 의해 자연적으로 또는 실험실에서 중성자나 양성자의 폭격을 받아 다른 원소로 변할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 금은 이전에도 이러한 방식으로 인위적으로 생산되었지만, ALICE 협업은 이제 LHC에서 납 핵 간의 충돌을 포함하는 새로운 메커니즘에 의해 납이 금으로 변환되는 것을 측정했습니다.
LHC에서 납 핵 사이의 극도로 높은 에너지의 충돌은 쿼크-글루온 플라즈마를 생성할 수 있는데, 이는 빅뱅 후 약 100만분의 1초 후에 우주를 가득 채워 현재 우리가 알고 있는 물질을 발생시킨 것으로 생각되는 뜨겁고 밀도가 높은 물질 상태이다. 그러나 핵이 "접촉"하지 않고 서로를 놓치는 훨씬 더 빈번한 상호 작용에서는 핵을 둘러싼 강렬한 전자기장이 광자-광자 및 광자-핵 상호 작용을 유도하여 더 많은 탐험의 길을 열 수 있습니다.
납 핵에서 방출되는 전자기장은 특히 강한데, 그 이유는 그 핵이 82개의 양성자를 포함하고 있으며, 각 양성자는 하나의 기본 전하를 가지고 있기 때문입니다. 더욱이, LHC에서 납 핵이 이동하는 매우 빠른 속도 (빛의 속도의 99.999993 %에 해당)로 인해 전자기장 선이 얇은 팬케이크로 찌그러지고 운동 방향을 가로 질러 짧은 수명의 광자 펄스를 생성합니다.
종종 이것은 전자기 해리(electromagnetic dissociation)라고 하는 과정을 촉발하는데, 핵과 상호 작용하는 광자가 내부 구조의 진동을 자극하여 소수의 중성자와 양성자가 방출될 수 있습니다. 금(79개의 양성자를 포함하는 핵)을 만들려면 LHC 빔으로 핵에서 3개의 양성자를 제거해야 합니다.
ALICE 대변인 마르코 반 레우웬은 "우리의 검출기가 수천 개의 입자를 생성하는 정면충돌을 처리할 수 있는 동시에 한 번에 몇 개의 입자만 생성되는 충돌에 민감하여 희귀한 전자기 '핵 변환' 과정을 연구할 수 있다는 것은 인상적입니다“라고 언급합니다.
ALICE 팀은 검출기의 0도 열량계(ZDC)를 사용하여 각각 납, 탈륨, 수은 및 금의 생성과 관련된 최소 1개의 중성자와 함께 0, 1, 2, 3개의 양성자를 방출하는 광자-핵 상호작용의 수를 계산했습니다.
탈륨이나 수은의 생성보다 빈도는 적지만, 결과는 LHC가 현재 ALICE 충돌 지점에서 납-납 충돌로부터 초당 최대 약 89,000개의 핵 속도로 금을 생성한다는 것을 보여줍니다. 금 핵은 매우 높은 에너지로 충돌에서 나타나 하류의 다양한 지점에서 LHC 빔 파이프 또는 콜리메이터에 부딪혀 즉시 단일 양성자, 중성자 및 기타 입자로 파편화됩니다. 금은 아주 짧은 시간 동안 존재합니다.
ALICE 분석에 따르면 LHC의 런2(2015–2018년) 동안 4개의 주요 실험에서 약 860억 개의 금 핵이 생성되었습니다. 질량 측면에서 이것은 단지 29 피코그램(2.9 × 10-11 g)에 불과합니다. 기계에 대한 정기적인 업그레이드 덕분에 LHC의 광도가 지속적으로 증가하고 있기 때문에 Run3은 Run2보다 거의 두 배의 금을 생산했지만 총 금은 여전히 보석 한 개를 만드는 데 필요한 것보다 수조 배 적습니다.
중세 연금술사들의 꿈은 엄밀히 말하면 실현되었지만, 부에 대한 그들의 희망은 다시 한 번 산산조각이 났습니다.
ALICE 협업의 Uliana Dmitrieva는 "ALICE ZDC의 고유한 기능 덕분에, 이번 분석은 LHC에서 금 생산의 특징을 실험적으로 체계적으로 탐지하고 분석한 최초의 분석"이라고 말합니다.
"이 결과는 또한 전자기 해리의 이론적 모델을 테스트하고 개선하며, 이는 본질적인 물리학적 관심을 넘어 LHC 및 미래 충돌기의 성능에 대한 주요 제한 사항인 빔 손실을 이해하고 예측하는 데 사용됩니다"라고 ALICE 협업의 John Jowett은 덧붙입니다.
이상의 기사는 2025년 5월 8일 Phys.org에 게재된 “ALICE detects the conversion of lead into gold at the Large Hadron Collider”제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : ALICE detects the conversion of lead into gold at the Large Hadron Collider
* 추가정보 출처 : Proton emission in ultraperipheral Pb-Pb collisions at TeV | Phys. Rev. C