用铅制造黄金！科学家用对撞机，成功将铅转变为黄金

自古以来，把普通金属转化为黄金是人类最持久的幻想之一。

而核物理的出现，让元素转化不再是天方夜谭。

去年的时候，科学家做了一项颠覆的实验：他们在大型强子对撞机 (LHC) 中，通过使铅离子束以接近光速的速度相互穿过，成功地制造了数亿个金原子核。

相关研究于2025年5 月 7 日发表在《物理评论 C 》上。

ALICE实验的核心目标是让铅原子核以接近光速迎头对撞，复刻宇宙刚诞生几微秒时的极端状态。

铅原子核碰撞的时候，绝大多数铅核根本不会正面撞上，它们会近距离擦肩而过，这种两个原子核完全没有实体接触、短程核力完全不起作用的碰撞，物理学家称它为超周边碰撞。

对于研究粒子浓汤的核心目标来说，这类碰撞原本算是背景噪音，但谁也没想到，这样的碰撞竟藏着元素转化的关键秘密。

我们可以这么理解背后的原理：铅原子核带82个正电荷，当它以接近光速飞行时，身边会裹着一层极强的电磁场，速度越快，这层电磁场就越会沿运动方向被压扁，变成一道薄薄的、能量极高的电磁脉冲，当两个铅核近距离擦过时，这道脉冲就相当于一束密集的高能光弹，隔空轰击对方的原子核。

这种不靠核力、只靠电磁作用就能把稳定的原子核打裂，让它向外喷射质子和中子的过程，叫做电磁解离。

这个过程两个原子核没有实质接触，纯靠电磁场的能量就完成了核反应。

而我们大家都知道，元素的身份完全由原子核里的质子数决定。

铅有82个质子，它每被打出去1个，元素就往前挪一位，丢1个质子它会变成铊，丢2个变成汞，刚好丢3个的话，质子数就会变成79——也就是金元素的原子核。

当然，原子核裂开时通常还会同时甩出几个中子，形成同一种元素的不同版本，也就是同位素，而这次实验生成的都是具有放射性的金同位素，并非我们日常见到的稳定黄金。

之前科学家已经把这类反应里的中子发射测得很准了，但质子的定量测量一直是个难题。

因为电磁解离打出来的质子能量差异很大，在探测器上的信号散成一片，很难精准分清到底打出来了几个质子。

所以即便我们有了改变元素的方法，但至于最后形成了什么元素，我们很难知道。

而ALICE实验靠一套特殊的布局解决了这个问题。

他们在碰撞点正前方112.5米的束流路线上，放了两套粒子能量探测器：不带电的中子会沿直线飞行，直接打进束流轴正中间的中子探测器；而质子带正电，会被加速器的磁铁偏转方向，落到真空管外侧的质子探测器里。

科学家只要读取探测器里沉积的能量，就能反推出飞出来的质子和中子数量。

最后测量的结果表明，虽然变金的现象相对罕见，但在 LHC 束流运行期间，这种现象却相当频繁地发生了。

按估算，2015到2018年LHC的第二轮运行期间，所有四个对撞点加起来生成的金原子核，总质量只有29皮克，也就是0.000000000029克，这还不到一根头发丝重量的三百万分之一。

而且这些金原子核都带着极高的能量，会沿着束流管道高速飞行，很快就会撞到管道里的准直器和管壁上碎裂产生强子簇射，根本留不住，更别说收集提纯了。

所以靠这样的方法量产黄金的话，是不可能的。

不过这项研究真正的价值体现在两个领域。

其一关乎加速器运行：电磁解离产生的各种次级原子核是束流损失的重要来源，它们会偏离束流轨道打在加速器部件上，既降低束流亮度，也可能造成设备活化，精确的反应截面数据能帮工程师更准确地模拟束流损失，优化未来更高能量加速器的设计。

其二关乎天体物理：宇宙中比铁重的元素大多诞生在超新星爆发、中子星并合等极端环境，这些环境中充满了高能光子与原子核的相互作用。

实验室测得的反应规律，能为天体元素合成模型提供关键的实验依据，帮我们解答宇宙中的黄金从何而来的宏大问题。