CERN LHC’de yapılan çarpışmalar kurşun atomlarını altına dönüştürerek, simyacıların hayalini gerçeğe dönüştürdü.
Orta Çağ’dan itibaren simyacılar, sıradan metallerin altına dönüştürülmesini hayal etmişlerdi. Kurşun, simyacıların özellikle altına dönüştürmeyi amaçladığı metallerin başında geliyordu. Altın, parlaklığı, nadirliği ve değerli olmasıyla her zaman insanlık tarihinin en çok arzulanan elementlerinden biri olmuştur. Simyacılar, kurşunu altına dönüştürmenin yollarını bulmaya çalışmış, ancak kimyasal yöntemlerle bunun imkansız olduğu anlaşılmıştı. Ancak 20. yüzyılda nükleer fizik, kimyasal dönüşümlerin ötesinde, atom düzeyinde elementlerin birbirine dönüşebileceğini ortaya koydu. Şimdi ise, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) gerçekleştirilen deneyler, kurşunun altına dönüşümünü gerçekleştiren bir bilimsel gelişmeye işaret ediyor.
ALICE deneyi ve kurşunun altına dönüşümü
CERN’deki ALICE (A Large Ion Collider Experiment) deneyinde bilim insanları, kurşun çekirdeklerinin birbirine çarpmasından elde edilen verileri incelediler. Bu deneyde, kurşun atomlarının arasında meydana gelen “yakın geçiş” çarpışmalarında, elektromanyetik alanların etkisiyle protonların kurşun çekirdeklerinden atılması sonucu altın çekirdekleri üretildi. Yani, kurşun çekirdekleri altına dönüşüyor ama bu dönüşüm sadece birkaç proton kaybederek oluyor.
Peki, nasıl oluyor da kurşun çekirdeğinden altın üretilebiliyor? Bunun temelinde kuark-gluon plazması adı verilen bir olay yatıyor. Kuark-gluon plazması, evrenin ilk anlarında, Big Bang’den sadece bir milyondan daha kısa bir süre sonra var olmuş sıcak ve yoğun bir madde halidir. LHC’de yüksek enerjili çarpışmalar sonucunda bu tür plazmalar yeniden üretilebilir. Ancak çok daha sık karşılaşılan başka bir olayda, kurşun çekirdekleri birbirine çarpmadan yalnızca birbirine yakın geçerken, elektromanyetik alanlar devreye giriyor. Bu alanlar foton adı verilen parçacıkları harekete geçiriyor ve bu fotonlar, kurşun çekirdeklerinin yapılarını bozarak protonları dışarı atmalarına neden oluyor. Bu süreç, çekirdeğin proton sayısını azaltıyor ve üç proton kaybıyla altın çekirdeği elde ediliyor.
Altın çekirdekleri nasıl oluşuyor?
Kurşun atomu, 82 proton ve 126 nötron içerir. Ancak altın atomunun çekirdeğinde yalnızca 79 proton bulunur. Yani kurşun atomunun çekirdeğinden üç proton çıkarsa, geriye 79 protonlu altın atomu kalır. Bu dönüşüm, kurşun çekirdeklerinin hızla hareket ettiği ve çok yüksek hızlara ulaşabildiği LHC’de gerçekleşiyor. Çekirdekler ışık hızına yakın hızlarla çarpıştıkça, etraflarındaki elektromanyetik alanlar yoğunlaşıyor ve fotonlar oluşuyor. Bu fotonlar, çekirdeklerin yapılarını bozarak protonların kopmasına yol açıyor. Bu süreç sırasında ortaya çıkan altın çekirdekleri ise son derece kararsızdır ve sadece bir saniyenin çok küçük bir kısmı boyunca varlıklarını sürdürebilirler.
ALICE deneyinde yapılan araştırmalar, saniyede yaklaşık 89 bin altın çekirdeği üretildiğini gösteriyor. Ancak bu üretim, altın üretiminden ziyade atom altı bir dönüşüm olduğu için, oluşan altın çekirdekleri hemen parçalanıyor ve proton, nötron gibi daha küçük parçacıklara ayrılıyor. Yani elde edilen altın, bir takı yapmak için yeterli miktarda değil. Örneğin, LHC’nin ikinci çalışma döneminde (2015–2018) yaklaşık 86 milyar altın çekirdeği üretildi ancak bu, yalnızca 29 pikogramlık (2.9 × 10⁻¹¹ gram) bir kütleye denk geliyor. Yani, simyacıların rüyası gerçek olsa da, zenginlik beklentisi hala uzak bir hayal.
Bu dönüşümün önemi ne?
ALICE deneyinin bu bulguları, sadece kurşunun altına dönüşümü sağlamakla kalmıyor. Aynı zamanda elektromanyetik ayrışma (EMD) adı verilen bir fiziksel sürecin daha iyi anlaşılmasına da katkı sağlıyor. EMD, atom çekirdeklerinin iç yapısının fotonlarla etkileşime girerek bozulmasıdır ve bu olaylar, nükleer fiziğin temel anlayışını geliştiriyor. Ayrıca bu süreçler, LHC’nin verimli çalışmasını sağlayan teorik modellerin test edilmesinde de yardımcı oluyor.
ALICE deneyinin bir diğer önemi de, gelecekteki çarpıştırıcılarda enerji kayıplarının nasıl yönetilebileceğine dair daha fazla bilgi sağlaması. Çünkü nükleer çarpışmalar sırasında kaybedilen enerji, çarpıştırıcıların performansını sınırlayan bir faktör olabiliyor. Bu deney, bu kayıpların daha doğru şekilde tahmin edilmesine yardımcı olacak.
Sonuç olarak eski simyacılar hayallerindeki dönüşümü gerçek bir şekilde gördü. Ancak bu dönüşüm, ancak atom altı düzeyde ve çok kısa bir süre için gerçekleşiyor. Bu nedenle, kurşunu altına dönüştürme rüyası zenginlik sağlamak yerine, sadece fiziksel yasaların incelenmesine yardımcı oluyor. Ancak yine de bilim, simyacılara göre çok daha ileriye gitmiş görünüyor.
Kaynak: CERN
