Oro dal piombo al CERN: l’alchimia nucleare diventa realtà

Nel cuore pulsante della fisica delle alte energie, all’interno del complesso labirintico del Large Hadron Collider (LHC) del CERN, un risultato scientifico di portata epocale ha scosso le fondamenta della nostra comprensione della materia e delle sue trasformazioni.

Un’antica aspirazione alchemica, inseguita per secoli da menti curiose e avventurose, ha trovato una sua, seppur fugace, realizzazione non nei forni fumosi e tra gli alambicchi degli alchimisti, bensì negli acceleratori di particelle più potenti mai costruiti dall’umanità.

I fisici del CERN, attraverso esperimenti meticolosamente orchestrati e analisi sofisticate, sono riusciti a trasmutare, anche se per un istante infinitesimale, nuclei di piombo in atomi di oro.

La trasmutazione del piombo in oro: un miracolo della fisica moderna al CERN

Il segreto di questa moderna “pietra filosofale” risiede nelle collisioni ad altissima energia di nuclei di piombo, accelerate fino a velocità prossime a quella della luce all’interno dell’anello di 27 chilometri dell’LHC. Questi scontri, che generano una densità di energia e una temperatura inimmaginabili, paragonabili a quelle esistenti frazioni di secondo dopo il Big Bang, innescano processi nucleari di una complessità sbalorditiva.

In queste condizioni estreme, i nuclei di piombo, composti da 82 protoni e un numero variabile di neutroni, si frantumano in un mare di quark e gluoni, le particelle elementari che costituiscono la materia nucleare. Questo stato della materia, noto come plasma di quark e gluoni, è un ambiente primordiale in cui le forze fondamentali della natura si manifestano in modo diretto e intenso.

È proprio all’interno di questo calderone di particelle elementari che, attraverso una serie di interazioni complesse e fluttuazioni quantistiche, si verifica la trasmutazione alchemica. Alcuni dei frammenti nucleari risultanti dalle collisioni, riaggregandosi e riorganizzandosi sotto l’influenza delle forze nucleari, danno origine a nuclei atomici con un numero di protoni diverso da quello del piombo originario.

. In particolare, alcuni di questi nuclei neoformati acquisiscono esattamente 79 protoni nel loro nucleo. Questo numero magico definisce l’elemento oro. Sebbene questi nuclei di oro siano estremamente instabili e decadano in altri elementi in un lasso di tempo brevissimo, la loro formazione rappresenta una prova tangibile della possibilità di trasformare un elemento in un altro attraverso processi fisici ad altissima energia.

Questi esperimenti pionieristici sono condotti nell’ambito della collaborazione ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno dei quattro grandi esperimenti presso l’LHC specificamente progettato per studiare le collisioni di ioni pesanti come il piombo. L’obiettivo primario di ALICE non è certo la produzione di oro su scala industriale, ma piuttosto l’esplorazione delle proprietà fondamentali del plasma di quark e gluoni e la ricostruzione delle condizioni fisiche presenti nei primissimi istanti di vita dell’Universo.

La capacità di osservare la formazione, seppur transitoria, di elementi come l’oro in questi esperimenti fornisce informazioni cruciali sulla nucleosintesi primordiale, ovvero sui processi attraverso i quali i primi elementi chimici si sono formati dopo il Big Bang.

Comprendere come la materia si è organizzata a partire dal brodo primordiale di particelle elementari è una delle sfide più grandi della fisica moderna, e gli esperimenti ALICE al CERN stanno fornendo tasselli fondamentali per risolvere questo affascinante enigma cosmico. La trasmutazione del piombo in oro, quindi, non è solo un trionfo tecnologico, ma una finestra privilegiata sull’alba del nostro Cosmo.

Un’eco del Big Bang: ricreare le condizioni primordiali in laboratorio

Immagina di poter scrutare indietro nel tempo, fino a frazioni infinitesime di secondo dopo il Big Bang. l’Universo primordiale era un ambiente incredibilmente caldo e denso, un vero e proprio “brodo” di particelle elementari in costante interazione.

In questo scenario estremo, le forze fondamentali che oggi conosciamo, come la forza forte e la forza debole, giocavano un ruolo dominante nel plasmare la materia. La nucleosintesi primordiale, ovvero la formazione dei primi nuclei atomici leggeri come l’idrogeno, l’elio e tracce di litio, è avvenuta proprio in questo periodo caotico e dinamico.

Gli esperimenti ALICE, ricreando in miniatura le condizioni di temperatura e densità energetica simili a quelle dell’universo primordiale attraverso le collisioni ultra-relativistiche, ci offrono una sorta di “istantanea” di quel periodo cruciale.

Osservando la formazione di elementi più pesanti, seppur instabili, come l’oro, possiamo ottenere indizi preziosi sui meccanismi attraverso i quali i nuclei atomici si sono aggregati e trasformati nei primi istanti cosmici. È come analizzare le increspature lasciate da un sasso lanciato in uno stagno per dedurre le caratteristiche dell’impatto originario.

Sebbene la nucleosintesi primordiale si concentri principalmente sulla formazione degli elementi più leggeri, comprendere come, in condizioni estreme, nuclei pesanti come il piombo possano temporaneamente trasformarsi in oro ci fornisce informazioni fondamentali sulla stabilità e l’instabilità dei nuclei atomici, sulle forze che li tengono insieme e sui processi che possono indurre la loro trasformazione.

Questi dati sperimentali, raccolti con una precisione sbalorditiva, permettono ai fisici teorici di affinare i modelli che descrivono le interazioni nucleari e di estendere la nostra comprensione della formazione degli elementi ben oltre la fase primordiale dell’Universo.

Inoltre, lo studio del plasma di quark e gluoni, il substrato da cui emergono questi nuclei transitori, ci svela aspetti inediti del comportamento della materia in condizioni estreme, un regime fisico completamente diverso da quello a cui siamo abituati nel nostro mondo quotidiano. Comprendere le proprietà di questo stato primordiale della materia è essenziale per ricostruire la storia termica ed evolutiva del Cosmo.

La trasmutazione del piombo in oro al CERN, pur nella sua natura effimera, si configura come un tassello fondamentale nel grande puzzle della cosmologia e della fisica delle particelle.

Ci permette di sondare le leggi fondamentali della natura in condizioni estreme e di gettare luce sui processi che hanno portato alla formazione degli elementi che costituiscono tutto ciò che vediamo intorno a noi, dalle stelle e le galassie fino ai pianeti e alla vita stessa. È una dimostrazione potente di come la curiosità umana e la rigorosità scientifica possano condurci a svelare i misteri più profondi dell’universo, aprendo una finestra privilegiata sull’alba del nostro stesso esistere.

L’era della chimica e la demistificazione della trasmutazione

L’affascinante anelito di trasformare metalli comuni e “vili” come il piombo nel nobile e splendente oro ha pervaso l’immaginario e le pratiche degli alchimisti medievali per secoli. Questa ricerca, nota con il termine evocativo di crisopea, non era semplicemente un’avidità di ricchezza, ma affondava le sue radici in un’osservazione intuitiva, seppur superficiale, della natura.

Il piombo, con la sua tonalità grigio opaca e la sua relativa abbondanza nella crosta terrestre, condivideva una sorprendente somiglianza di densità con l’oro, metallo da sempre venerato per la sua intrinseca bellezza, la sua rarità e la sua incorruttibilità. Questa affinità fisica, unita a una visione del mondo che postulava una sorta di unità e trasmutabilità della materia, alimentò la speranza di poter svelare il segreto della metamorfosi metallica.

Solo con l’avvento della chimica come disciplina scientifica rigorosa, e in particolare con le scoperte fondamentali sulla natura degli elementi chimici e delle loro proprietà intrinseche, divenne chiaro che il piombo e l’oro non erano semplicemente varianti superficiali di una stessa sostanza primordiale, bensì entità distinte con caratteristiche atomiche uniche e inalterabili attraverso reazioni chimiche convenzionali.

La tavola periodica degli elementi, con la sua precisa organizzazione degli atomi in base al numero di protoni nel loro nucleo, sancì inequivocabilmente la diversità fondamentale tra il piombo (con 82 protoni) e l’oro (con 79 protoni). I tentativi alchemici, basati su manipolazioni chimiche, si rivelarono quindi intrinsecamente destinati al fallimento.

Il ventesimo secolo portò con sé una rivoluzione nella nostra comprensione della materia con l’emergere della fisica nucleare. La scoperta della struttura interna dell’atomo, con il suo nucleo denso composto da protoni e neutroni, e la comprensione dei fenomeni di decadimento radioattivo rivelarono che la trasmutazione degli elementi non era una mera fantasia, ma un processo fisico reale. Elementi pesanti instabili potevano spontaneamente trasformarsi in elementi più leggeri attraverso l’emissione di particelle subatomiche. Inoltre, si scoprì che era possibile indurre artificialmente la trasmutazione bombardando i nuclei atomici con particelle come neutroni o protoni, alterando così il loro numero di protoni e, di conseguenza, la loro identità chimica.

Sebbene l’oro fosse già stato prodotto artificialmente in laboratorio attraverso queste tecniche di bombardamento nucleare, il risultato ottenuto dalla collaborazione ALICE al Large Hadron Collider del CERN rappresenta una svolta concettuale e sperimentale significativa. Per la prima volta, la trasmutazione del piombo in oro è stata osservata attraverso un meccanismo completamente nuovo, basato sulle collisioni “quasi-incidenti” tra nuclei di piombo accelerati a energie relativistiche.

A differenza dei precedenti metodi che prevedevano un impatto diretto tra particelle e nuclei, le collisioni quasi-incidenti si verificano quando due nuclei di piombo, lanciati l’uno contro l’altro a velocità prossime a quella della luce, si sfiorano senza collidere frontalmente. In questi incontri ravvicinati, l’intensa interazione elettromagnetica generata dai campi elettrici potentissimi dei nuclei carichi può indurre l’emissione di fotoni ad altissima energia. Questi fotoni “virtuali”, interagendo con uno dei nuclei di piombo, possono innescare reazioni nucleari che portano all’espulsione di alcuni protoni dal nucleo di piombo. Se il nucleo di piombo perde esattamente tre protoni, il suo numero atomico diminuisce da 82 a 79, trasformandosi così in un nucleo di oro.

Questo meccanismo di trasmutazione, mediato dalla forza elettromagnetica in condizioni di collisioni ultra-relativistiche, apre una nuova finestra sullo studio delle interazioni fondamentali tra i nuclei atomici e i campi elettromagnetici intensi. La capacità di misurare e analizzare questi eventi rari e fugaci fornisce informazioni preziose sulla struttura interna dei nuclei pesanti e sulle dinamiche delle interazioni elettromagnetiche in regimi di energia estremi, complementari alle conoscenze acquisite attraverso le collisioni frontali studiate per esplorare il plasma di quark e gluoni.

La realizzazione, seppur momentanea e in condizioni di laboratorio altamente specifiche, del sogno alchemico attraverso la fisica moderna rappresenta un trionfo della nostra capacità di manipolare la materia a livello subatomico e di svelare i segreti più intimi della natura.

Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Journals.