摘要：堪萨斯大学科学家团队在大型强子对撞机上成功实现了古代炼金术士的终极梦想——将铅转化为金，尽管这种转化只能维持几分之一秒。这项发表在《物理评论》上的突破性研究不仅展示了粒子物理学的精妙之处，更为未来粒子加速器的设计提供了关键数据，有望影响下一代对撞机的安全运行和

堪萨斯大学科学家团队在大型强子对撞机上成功实现了古代炼金术士的终极梦想——将铅转化为金，尽管这种转化只能维持几分之一秒。这项发表在《物理评论》上的突破性研究不仅展示了粒子物理学的精妙之处，更为未来粒子加速器的设计提供了关键数据，有望影响下一代对撞机的安全运行和性能优化。

与传统意义上的炼金术不同，这项科学成就基于精确的物理机制和先进的探测技术。研究团队利用被称为"超边缘碰撞"的独特现象，通过高能光子相互作用从铅原子核中精确移除质子，从而实现元素的瞬间转化。这一过程发生在埋藏于法国和瑞士边境地下27公里长的大型强子对撞机隧道内，依托名为ALICE的大型探测器进行观测和记录。

超边缘碰撞的物理机制

大型强子对撞机（LHC）的物理学家利用近距碰撞，短暂地将铅变成了金，揭示了罕见的光子间相互作用，这可能会影响未来的对撞机设计。图片来源：Shutterstock

堪萨斯大学物理学教授、ALICE项目负责人丹尼尔·塔皮亚·高木解释了这种独特现象的工作原理："在超边缘碰撞中，我们感兴趣的是当粒子没有相互碰撞时会发生什么。这些是近距离碰撞，离子经过的距离足够近可以相互作用，但不会接触，没有物理重叠。"

当重离子在大型强子对撞机中被加速到接近光速时，每个带电粒子都会产生强大的电磁场并发射高能光子。这些光子能够携带足够的能量来探测其他原子核的内部结构，就像一个超高能的"闪光灯"。在特殊情况下，两个离子发射的光子会发生相互作用，产生极其清洁的光子-光子碰撞事件。

"当光的能量足够高时，它可以探测到另一个原子核的深处，"塔皮亚·高木进一步说明，"有时，两个离子的光子会相互作用——我们称之为光子-光子碰撞。这些事件极其干净，几乎没有其他物质产生，这与典型的碰撞形成了鲜明对比。"

这种高能光子具有足够的能量将质子从原子核中"击出"。每移除一个质子，原子的原子序数就会发生改变，从而转化为不同的元素。当从铅原子核中移除一个质子时，它变成铊；移除两个质子变成汞；移除三个质子就变成了金。

技术突破与探测挑战

这项研究的成功很大程度上归功于堪萨斯大学团队开发的创新探测技术。传统上，大型强子对撞机和ALICE探测器主要设计用于收集正面碰撞的数据，这类碰撞会产生大量粒子碎片。相比之下，超边缘碰撞产生的信号极其微弱且清洁，在早期的实验装置中很难检测到。

"我们堪萨斯大学的团队率先采用了新技术来研究它们，"塔皮亚·高木表示，"我们在几年前就积累了这方面的专业知识，当时这还不是一个热门课题。"研究团队包括研究生Anna Binoy和Amrit Gautam、博士后研究员Tommaso Isidori、博士后研究助理Anisa Khatun以及研究科学家Nicola Minafra。

这些新开发的探测方法不仅能够识别超边缘碰撞事件，还能直接观测到被击出的质子。通过精确测量这些质子的轨迹和能量，研究人员能够重构整个核反应过程，验证元素转化的发生。

对未来科技的深远影响

虽然瞬间的铅变金现象引起了公众的广泛关注，但这项研究的真正价值在于其对未来粒子物理学发展的指导意义。目前，世界各地正在规划建设规模更大的粒子加速器，包括欧洲和中国计划建设的周长达100公里的环形对撞机。

"这些新原子核的寿命非常短，它们衰变很快，但并不总是立即衰变，"塔皮亚·高木指出了一个关键问题，"有时它们会沿着光束线传播，撞击对撞机的部件，从而触发安全系统。"这种现象可能对大型粒子加速器的稳定运行构成威胁。

理解这些核副产品的行为模式对于设计下一代粒子加速器至关重要。研究团队的发现为预测和控制这些短寿命核素的产生和衰变提供了宝贵数据，有助于工程师设计更加安全和高效的对撞机系统。

此外，这项研究还推进了人们对光子-光子相互作用机制的理解，这是量子电动力学中的重要现象。随着技术的不断进步，这些基础物理知识可能在量子计算、新材料开发和高能物理探测器设计等领域发挥重要作用。

堪萨斯大学团队计划继续深入研究超边缘碰撞现象，探索更多可能的核反应途径和产物。这项由美国能源部科学办公室核物理办公室支持的研究工作，代表了人类在理解物质基本结构方面的又一重要进展。

来源：人工智能学家