대형 강입자 충돌기에서 순식간에 납에서 금으로 바뀌다

LHC의 물리학자들은 아차 충돌을 이용하여 납을 금으로 순간 변환하는 데 성공했습니다. 이를 통해 미래의 충돌기 설계에 영향을 줄 수 있는 희귀한 광자-광자 상호작용을 밝혀냈습니다. 출처: Shutterstock

대형 강입자 충돌기에서 일하는 핵물리학자들은 최근 연금술사들의 오랜 꿈(그리고 귀금속 투자자들의 악몽)을 달성해 화제를 모았습니다. 그들은 납을 금으로 변환했습니다.

적어도 아주 짧은 순간 동안은 말이죠. 과학자들은 Physical Reviews에 그 결과를 보고했습니다.

프랑스-스위스 국경 아래에 묻힌 17마일 길이의 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기에서의 성과는 ALICE라고 불리는 정교하고 민감한 검출기에서 이루어졌습니다. 이 검출기는 대략 맥맨션 크기의 과학 기구입니다.

LHC에서 금을 생성하는 양성자와 이온 사이의 "초주변" 충돌을 추적하는 기술을 개발한 사람은 ALICE 실험에 참여한 캔자스 대학의 과학자들입니다.

"일반적으로 충돌 실험에서는 입자들이 서로 충돌하여 많은 파편을 생성합니다."라고 ALICE에서 KU 그룹 리더이자 물리학 교수인 다니엘 타피아 타카키는 말했습니다. "하지만 초주변 충돌에서는 입자들이 서로 충돌하지 않을 때 어떤 일이 일어나는지 궁금합니다. 이는 아슬아슬한 순간입니다. 이온들은 상호작용할 수 있을 만큼 가까이 지나가지만, 서로 닿지는 않습니다. 물리적으로 겹치는 부분이 없습니다."

LHC 터널 주변을 질주하는 이온들은 수많은 양성자를 가진 무거운 원자핵으로, 각각 강력한 전기장을 생성합니다. 가속되면 이 대전된 이온들은 광자, 즉 빛을 방출합니다.

"전하를 빛의 속도에 가깝게 가속하면 빛나기 시작합니다." 타피아 타카키가 말했다. "한 이온이 다른 이온의 사진을 찍는 것과 같은 빛을 낼 수 있습니다. 그 빛이 충분히 강력하면 고에너지 섬광전구처럼 다른 원자핵의 내부 깊숙한 곳까지 탐사할 수 있습니다."

KU 연구원은 이러한 UPC "플래시" 동안 놀라운 상호작용이 발생할 수 있다고 말했는데, 여기에는 전 세계적인 관심을 불러일으킨 속도 이벤트도 포함되었습니다.

"때때로 두 이온에서 나온 광자가 서로 상호작용하는데, 이를 광자-광자 충돌이라고 부릅니다."라고 그는 말했다. "이러한 현상은 놀라울 정도로 깨끗해서 다른 물질은 거의 생성되지 않습니다. 입자들이 사방으로 흩날리는 일반적인 충돌과는 대조적입니다."

하지만 ALICE 검출기와 LHC는 혼란스러운 입자 분사를 초래하는 정면 충돌에 대한 데이터를 수집하도록 설계되었습니다.

타피아 타카키는 "이러한 깔끔한 상호작용은 이전 설정에서는 감지하기 어려웠습니다."라고 말했습니다. "KU의 우리 연구팀은 이를 연구하기 위한 새로운 기법을 개척했습니다. 이 분야가 인기 있는 주제가 아니었던 수년 전에 이러한 전문 지식을 쌓았습니다."

이러한 방법을 통해 LHC 팀은 초주변 충돌을 통해 납을 순간적으로 금으로 변환하는 놀라운 발견을 할 수 있었습니다. 이 충돌에서 납 이온은 1초도 채 되지 않는 짧은 시간 동안 양성자 3개를 잃어 납 입자가 금 입자로 변했습니다.

이 논문의 타피아 타카키와 KU 공동 저자는 대학원생 안나 비노이, 대학원생 암릿 가우탐, 박사후 연구원 토마소 이시도리, 박사후 연구원 아니사 카툰, 그리고 연구 과학자 니콜라 미나프라입니다.

LHC ALICE 실험에 참여하는 KU 팀은 초주변 충돌에 대한 연구를 계속할 계획입니다. 타피아 타카키는 금의 생성이 대중의 관심을 끌었지만, 그 상호작용을 이해할 수 있는 잠재력은 더욱 깊다고 말했습니다.

"이 빛은 매우 강력해서 원자핵에서 양성자를 분리해 낼 수 있습니다."라고 그는 말했다. "때로는 양성자가 하나, 때로는 두 개, 세 개, 심지어 네 개까지 나올 수 있습니다. 우리는 검출기를 통해 이렇게 방출된 양성자를 직접 볼 수 있습니다."

제거된 양성자 1개마다 원소가 변합니다. 1개는 탈륨, 2개는 수은, 3개는 금을 생성합니다.

"이 새로운 원자핵들은 수명이 매우 짧습니다."라고 그는 말했다. "빠르게 붕괴하지만, 항상 즉시 붕괴되는 것은 아닙니다. 때로는 빔라인을 따라 이동하다가 충돌기 일부에 충돌하여 안전 시스템을 작동시키기도 합니다."

그래서 이 연구는 헤드라인을 넘어 더욱 중요합니다.

"LHC보다 훨씬 더 큰 미래의 충돌기(유럽과 중국에서는 최대 100km까지) 건설 계획이 있는 만큼, 이러한 핵융합 부산물을 이해해야 합니다."라고 타피아 타카키는 말했다. "이 '연금술'은 차세대 기계를 설계하는 데 매우 중요할 수 있습니다."

본 연구는 미국 에너지부 과학국, 핵물리학국에서 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250810094318.htm