- Hợp tác ALICE của CERN đã công bố trên Physical Review Journals phép đo định lượng quá trình hạt nhân chì biến thành hạt nhân vàng tại LHC
- Hiện tượng này xảy ra trong các va chạm sượt qua diễn ra thường xuyên hơn nhiều so với va chạm trực diện, nơi điện từ trường mạnh gây ra tương tác photon–hạt nhân
- Chì có 82 proton còn vàng có 79 proton, nên để trở thành vàng thì hạt nhân chì trong chùm tia của LHC phải mất đi 3 proton
- ALICE đã dùng ZDC để đếm số proton phát ra, từ đó phân biệt sự hình thành chì, tali, thủy ngân và vàng; tại điểm va chạm của ALICE, hạt nhân vàng được tạo ra với tốc độ tối đa khoảng 89.000 hạt mỗi giây
- Trong Run 2 giai đoạn 2015–2018, khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng đã được tạo ra ở bốn thí nghiệm lớn, nhưng tổng khối lượng chỉ là 29 picogram; số vàng được tạo thành cũng lập tức vỡ ra khi đâm vào ống chùm tia hoặc collimator
Đo quá trình chuyển hạt nhân từ chì sang vàng
- Hợp tác ALICE đã công bố trên Physical Review Journals một phép đo định lượng hiện tượng chì chuyển thành vàng tại Large Hadron Collider của CERN
- Giấc mơ biến chì thành vàng của giả kim thuật thời Trung Cổ là điều không thể bằng phương pháp hóa học, nhưng từ sau vật lý hạt nhân thế kỷ 20, người ta đã biết rằng các nguyên tố nặng có thể biến thành nguyên tố khác thông qua phân rã phóng xạ hoặc va chạm hạt
- Vàng đã từng được tạo ra nhân tạo trước đây, nhưng phép đo lần này tập trung vào cơ chế xảy ra trong các va chạm sượt qua của hạt nhân chì tại LHC
Va chạm sượt qua xảy ra thường xuyên hơn va chạm trực diện
- Các va chạm trực diện chì–chì năng lượng cao tại LHC có thể tạo ra plasma quark–gluon, một trạng thái vật chất nóng và đặc được cho là đã lấp đầy vũ trụ vào khoảng một phần triệu giây sau Vụ Nổ Lớn
- Trong các tương tác xảy ra thường xuyên hơn, hai hạt nhân lướt qua nhau mà không thực sự “chạm” vào nhau, còn điện từ trường mạnh xung quanh sẽ gây ra các tương tác photon–photon và photon–hạt nhân
- Hạt nhân chì chứa 82 proton nên điện từ trường đặc biệt mạnh
- Các hạt nhân chì trong LHC di chuyển với tốc độ rất cao, tương đương 99,999993% tốc độ ánh sáng
- Vì tốc độ này, các đường sức điện từ bị nén thành dạng bánh mỏng theo phương vuông góc với hướng chuyển động
- Kết quả là tạo ra các xung photon tồn tại trong thời gian rất ngắn
Quá trình tạo ra hạt nhân vàng
- Khi photon tương tác với hạt nhân, nó có thể kích thích dao động trong cấu trúc bên trong hạt nhân; quá trình này được gọi là phân rã điện từ
- Phân rã điện từ có thể khiến một số ít neutron và proton bị phát ra
- Để tạo ra vàng từ hạt nhân chì trong chùm tia của LHC, cần loại bỏ 3 proton khỏi tổng số 82 proton
- Hạt nhân chì: 82 proton
- Hạt nhân vàng: 79 proton
- Sơ đồ minh họa một va chạm siêu ngoại vi, trong đó hai chùm ion chì 208Pb đi sượt qua nhau mà không va chạm; thông qua tương tác photon–hạt nhân, 2 neutron và 3 proton bị phát ra, để lại hạt nhân vàng 203Au
ALICE ZDC phân biệt sự hình thành các nguyên tố
- Nhóm ALICE đã dùng zero degree calorimeters (ZDC) của detector để đếm số proton phát ra sau tương tác photon–hạt nhân
- Phát ra 0 proton và ít nhất 1 neutron: liên quan đến sự hình thành chì
- Phát ra 1 proton và ít nhất 1 neutron: liên quan đến sự hình thành tali
- Phát ra 2 proton và ít nhất 1 neutron: liên quan đến sự hình thành thủy ngân
- Phát ra 3 proton và ít nhất 1 neutron: liên quan đến sự hình thành vàng
- Sự hình thành vàng xảy ra ít thường xuyên hơn so với tali hoặc thủy ngân
- Hiện tại, LHC tạo ra vàng trong các va chạm chì–chì tại điểm va chạm của ALICE với tốc độ tối đa khoảng 89.000 hạt nhân mỗi giây
- Các hạt nhân vàng được tạo ra rời khỏi điểm va chạm với năng lượng rất cao và va vào ống chùm tia hoặc collimator của LHC tại nhiều vị trí ở phía hạ lưu
- Các hạt nhân vàng lập tức vỡ thành proton đơn lẻ, neutron và các hạt khác ngay tại đó, nên chỉ tồn tại trong thời gian cực ngắn
Lượng tạo ra cực nhỏ nhưng quan trọng để hiểu tổn thất chùm tia
- Theo phân tích của ALICE, trong giai đoạn 2015–2018 của LHC Run 2, khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng đã được tạo ra tại bốn thí nghiệm lớn
- Quy đổi theo khối lượng, con số này chỉ là 29 picogram, tức 2,9 × 10^-11 g
- LHC đang tiếp tục tăng độ sáng nhờ các đợt nâng cấp định kỳ, nên trong Run 3 số vàng được tạo ra gần gấp đôi Run 2
- Tổng lượng tạo ra vẫn nhỏ hơn hàng nghìn tỷ lần so với lượng cần để làm ra một món trang sức
- Nhờ năng lực của ALICE ZDC, phân tích này trở thành trường hợp đầu tiên phát hiện và phân tích có hệ thống bằng thực nghiệm tín hiệu tạo vàng tại LHC
- Kết quả được dùng để kiểm chứng và cải thiện các mô hình lý thuyết về phân rã điện từ
- Các mô hình này được dùng để hiểu và dự đoán tổn thất chùm tia, một yếu tố chính giới hạn hiệu năng của LHC và các máy va chạm trong tương lai
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Phần liên quan là đoạn này: “Theo phân tích của ALICE, trong LHC Run 2 (2015–2018), khoảng 86 tỷ hạt nhân nguyên tử vàng đã được tạo ra tại 4 thí nghiệm lớn. Tính theo khối lượng, con số này tương đương 29 picogram (2,9 ×10-11 g)”
Để tạo ra 1 ounce thì chỉ cần mở rộng quy mô lên hàng nghìn tỷ lần, nhưng việc biến chì thành vàng—giấc mơ của vô số nhà giả kim—giờ đã trở thành sản phẩm phụ của máy gia tốc hạt
Trong 1 gram vàng có 1.000 billion billion hạt nhân nguyên tử vàng
Tôi từng làm nghiên cứu luận án tiến sĩ tại Brookhaven National Lab, nơi có RHIC, tiền thân của chương trình ion nặng tại LHC
Khi đó một nhà khoa học cấp cao kể lại cuộc trao đổi trong một buổi đánh giá chương trình đang diễn ra. Lúc ấy RHIC đang cho va chạm vàng trong chương trình ion nặng, và một người đánh giá hỏi liệu có thể tiết kiệm chi phí bằng cách chuyển sang một nguyên tố rẻ hơn như chì không. Nghe nói không ai phía RHIC biết phải trả lời thế nào. Tôi không nhớ con số chính xác, nhưng trong suốt toàn bộ thời gian chương trình, lượng vàng RHIC dùng đại khái là dưới 1 miligam
Có một buồng hình chuông để đặt wafer vào, và bất kể kích thước wafer ra sao, toàn bộ bên trong buồng đều được phủ vàng đồng đều. Kỹ thuật viên vận hành thiết bị thường đặt nhẫn của mình vào buồng cùng với mẫu, và qua nhiều năm, các lớp tích tụ dần khiến nó ngày càng “biến thành vàng”
Vàng được tạo ra là vàng-203, có tính phóng xạ và phân rã thành thủy ngân-203 sau 1 phút. Thủy ngân-203 cũng phóng xạ. Loại vàng chúng ta biết là vàng-197
Đây cũng hoàn toàn không phải trường hợp đầu tiên biến chì thành vàng. Việc biến đổi chì thành vàng-197 đã được thực hiện từ năm 1980. Trong tất cả những trường hợp như vậy, lượng tạo ra quá nhỏ nên giá trị với tư cách kim loại quý về cơ bản bằng 0
Cho vui, tôi thử tính xem LHC và ALICE sẽ mất bao lâu để tạo đủ vàng tự trang trải chi phí cho FCC. Giả định 15 tỷ CHF theo giá vàng hiện tại tính bằng CHF, trong điều kiện hoàn hảo và bỏ qua mọi giới hạn
Kết luận là sẽ mất khoảng 185 tỷ năm vận hành liên tục. Để tham khảo, tuổi của vũ trụ khoảng 14 tỷ năm. Ở đây bỏ qua căng thẳng Hubble
Mỗi lần nghe bàn về tiến bộ công nghệ, tôi lại nghĩ như vậy. Người ta thường nhắc đến lập luận rằng ngay cả đầu thế kỷ 20 cũng có nhiều người nghĩ chúng ta đã gần đạt đến đỉnh cao của công nghệ, và mỗi khi ngày nay có lập luận tương tự, câu chuyện đó lại được lôi ra
Tôi không cho rằng hiện giờ chúng ta đã đi xa đến mức ấy, nhưng giới hạn mà chúng ta đang tiến gần tới có vẻ giống giới hạn của tài nguyên và kỹ thuật hơn là giới hạn của tri thức. Theo nghĩa đen thì thuật giả kim có tồn tại, nhưng chúng ta không có khả năng tạo ra một lượng vàng có ý nghĩa. Không phải vì không biết cách, mà vì nó không thực tế. Khoa học vật liệu, hóa học, và có lẽ cả vật lý, còn có thể đem lại thêm bao nhiêu về mặt công nghệ thực dụng? Chắc chắn là rất nhiều, nhưng tôi không nghĩ tốc độ tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực này sẽ tiếp tục được duy trì. Dĩ nhiên, ngay cả khi không được áp dụng ngay vào công nghệ, vẫn còn vô số điều để học
Tôi cho rằng nơi còn thực sự dồi dào tri thức có thể áp dụng và thực dụng là hóa sinh và sinh học. Chúng ta còn chưa cào đến bề mặt. Có thể vĩnh viễn không tìm ra cách di chuyển nhanh hơn ánh sáng, nhưng nếu có thể thích nghi cơ thể để duy trì trạng thái ngưng trệ trong hàng trăm hay hàng nghìn năm thì đó có thể không còn là vấn đề lớn. Tôi cảm thấy việc có thể thao túng sinh học một cách dễ dàng còn nguy hiểm hơn nhiều so với phổ biến hạt nhân. Dù sao thì tôi cũng không phải chuyên gia trong các lĩnh vực này
Không gian thiết kế của siêu vật liệu và máy phân tử mà chúng ta chưa khám phá vẫn rất rộng
Đó là vì ngay cả khi có khung lý thuyết tốt, kỹ thuật toán học và năng lực tính toán, ta chỉ làm được đến một mức nào đó ở dưới thang angstrom; ở thang milimét trở lên thì có các công cụ cơ khí như FEM, nhưng thang nano đến micro, nơi phần lớn tính chất vật liệu thực sự sinh ra, về cơ bản là không thể tính toán. Tôi nghĩ việc tính toán tính chất vật liệu từ nguyên lý thứ nhất vượt quá các hệ nhẹ chỉ gồm vài nguyên tử vẫn còn khó. Vì tôi không phải kiểu người có trực giác xuất sắc về toán cao cấp và giải tích để giải những vấn đề như vậy, nên tính chất của nghiên cứu sau đại học trong lĩnh vực này với cá nhân tôi không hấp dẫn. Dù vậy, các fab bán dẫn và phòng thí nghiệm xúc tác đã tạo ra tiến bộ lớn bằng phương thức thí nghiệm quy mô lớn có hệ thống và lặp đi lặp lại
Nếu bài toán khả năng tính toán ở thang nano đến micro được giải quyết, nó sẽ tạo ra biến đổi khổng lồ ngang với Cách mạng Công nghiệp và cách mạng công nghệ thông tin. Tôi cho rằng cuộc cách mạng sinh học về cơ bản cũng cần khả năng tính toán tương tự để thao tác protein, nhưng dường như cũng có đường vòng qua việc tận dụng vi khuẩn. Vài năm gần đây tôi thỉnh thoảng thấy các bài báo gợi ý tiến bộ trong toán học và khả năng tính toán ở thang nano đến micro, nên tôi khá hy vọng sẽ có những bước tiến lớn về công nghệ
Cũng đáng nghĩ xem có nguyên lý nào mô tả mối quan hệ giữa hai thứ đó không. Lý do từng có cảm giác như đã đụng tường là vì cuộc khủng hoảng rõ rệt mà dân chủ đang trải qua, giới hạn của hiệu năng xử lý máy tính, hiện tượng enshittification khiến dịch vụ mục ruỗng từ bên trong, thực tế là chúng ta không làm nổi những việc như đường sắt cao tốc, tiến triển chậm chạp của xe tự hành, và nhận thức rằng các tòa nhà hiện hữu trong đô thị sẽ còn tồn tại lâu nên không thể bỗng chốc biến thành cyberpunk
Nhưng nếu thời đại của chúng ta không được nhớ đến bởi các mối đe dọa với dân chủ, đại dịch và chiến tranh, có lẽ đã có khoảng trống để nhớ đến nó như một thời kỳ có những tiến bộ thực sự quan trọng ở tiền tuyến khoa học. Chỉ riêng CRISPR và AI đã đủ là thành tựu tiêu biểu cho một thời đại. Vì vậy, quay lại luận điểm ban đầu, tôi cho rằng những tiến bộ cho đến nay vẫn chưa phải bằng chứng rằng năng lực chuyển tiền tuyến tri thức thành khả năng ứng dụng sắp chậm lại. Tôi hiểu ý đó, nhưng lạc quan hơn một chút
Tôi tự hỏi liệu lý do thật sự khiến các nhà vật lý ám ảnh với việc biến kim loại thường thành vàng có phải là LHC không
Newton đã dành khoảng 30 năm cuộc đời cho thuật giả kim, còn các thành tựu khác thực ra gần như chỉ là nghề tay trái
Tôi thắc mắc vì sao về mặt lịch sử chì và vàng lại được liên hệ chặt chẽ đến vậy. Tại sao các nhà giả kim lại tập trung vào việc biến chì thành vàng? Vì sao họ không bắt đầu từ sắt hay đá như thạch anh? Có phải chỉ vì cả hai đều là kim loại nặng và mềm không?
Nếu chỉ xét thông tin lúc bấy giờ thì đây không hẳn là một lý thuyết quá tệ. Rốt cuộc mọi kim loại đều được lấy lên từ đất. Ý tưởng biến chì thành vàng không phải tư duy ma thuật, mà là nỗ lực tái tạo và tăng tốc các điều kiện tự nhiên trong phòng thí nghiệm. Nó giống với hàng trăm việc khác nhau mà chúng ta làm ngày nay. Nếu có ai thành công, thì giống như thí nghiệm hai khe của thời đó, đó sẽ là bằng chứng hoàn chỉnh rằng lý thuyết giả kim là đúng
Hẳn bạn biết cảnh cắn đồng xu trong phim thời Trung cổ; đó là hành động để kiểm tra xem là vàng hay chì. Vì vậy chì là hiện thân của đồ giả, và việc đó chẳng khác nào biến đồ giả thành đồ thật
“Cuộc tìm kiếm lâu đời này, được gọi là chrysopoeia, có thể đã được thúc đẩy bởi quan sát rằng chì, có màu xám đục và tương đối dồi dào, lại có mật độ tương tự vàng, thứ từ lâu được khao khát vì màu sắc đẹp và sự hiếm có”
Tôi nghĩ thứ mà thuật giả kim muốn thay đổi có lẽ không phải là tính chất ở cấp nguyên tử, mà là chuyển một số tính chất của vàng như điểm nóng chảy và màu sắc sang chì để tạo ra vàng rẻ hơn trong phòng thí nghiệm
Chắc chắn cũng từng có những nỗ lực biến bạc thành vàng. Vì bạc có trọng lượng gần hơn, nên họ hẳn đã cho rằng thay đổi cần thiết sẽ nhỏ hơn
Thứ các nhà giả kim cần chỉ là máy va chạm hạt cỡ lớn. Họ là những người đi trước thời đại quá xa
Có một cảnh trong loạt SF Mission Earth của L. Ron Hubbard mà tôi vẫn nhớ suốt nhiều năm. Nhân vật chính, thực chất gần như là phản diện, khi chuẩn bị nhiệm vụ thâm nhập Trái Đất đã đến khu vực đầy các nhà máy điện nhiệt hạch của thành phố mình và đặt mua một lượng lớn vàng để mang theo
Kết quả là lượng vàng nhiều đến mức có thể làm sụp đổ nền kinh tế Trái Đất. Nhưng điều đọng lại lâu hơn là ý tưởng sản xuất nguyên tố theo đơn đặt hàng
Đây không đơn thuần là bắn phá trực tiếp một mục tiêu trong máy gia tốc hạt, mà là một phương thức mới biến chì thành vàng thông qua va chạm cận kề tại CERN. Lượng tạo ra ở mức dưới hiển vi và có tính phóng xạ