- La collaboration ALICE du CERN a publié dans Physical Review Journals une mesure quantitative du processus par lequel des noyaux de plomb se transforment en noyaux d’or au LHC
- Ce phénomène se produit lors de collisions rapprochées, bien plus fréquentes que les collisions frontales, où de forts champs électromagnétiques induisent des interactions photon–noyau
- Le plomb possède 82 protons et l’or 79, si bien que 3 protons doivent être arrachés à un noyau de plomb du faisceau du LHC pour obtenir de l’or
- ALICE a utilisé les ZDC pour compter les protons émis et distinguer la production de plomb, de thallium, de mercure et d’or ; au point de collision d’ALICE, des noyaux d’or sont produits à un rythme pouvant atteindre environ 89 000 par seconde
- Pendant le Run 2 de 2015 à 2018, environ 86 milliards de noyaux d’or ont été produits dans les quatre principales expériences, mais leur masse ne représente que 29 picogrammes, et l’or ainsi créé se fragmente immédiatement en heurtant le tube de faisceau ou les collimateurs
Mesure de la transmutation nucléaire du plomb en or
- La collaboration ALICE a publié dans Physical Review Journals une mesure quantifiant le phénomène de conversion du plomb en or au Large Hadron Collider du CERN
- Le rêve alchimique médiéval de transformer le plomb en or est impossible par des moyens chimiques, mais la physique nucléaire du XXe siècle a montré que des éléments lourds peuvent devenir d’autres éléments via la désintégration radioactive ou des collisions de particules
- De l’or avait déjà été produit artificiellement auparavant, mais cette mesure porte sur le mécanisme à l’œuvre dans les collisions rapprochées de noyaux de plomb au LHC
Des collisions rapprochées plus fréquentes que les collisions frontales
- Les collisions frontales plomb–plomb à haute énergie du LHC peuvent produire un plasma de quarks et de gluons, un état de matière chaud et dense dont on pense qu’il remplissait l’Univers environ un millionième de seconde après le Big Bang
- Dans des interactions plus fréquentes, les deux noyaux se frôlent sans se « toucher », et les forts champs électromagnétiques environnants induisent des interactions photon–photon et photon–noyau
- Les noyaux de plomb contiennent 82 protons, ce qui rend leur champ électromagnétique particulièrement intense
- Dans le LHC, les noyaux de plomb se déplacent à une vitesse extrêmement élevée correspondant à 99,999993 % de celle de la lumière
- À cette vitesse, les lignes de champ électromagnétique sont comprimées en une fine forme de pancake, perpendiculaire à la direction du mouvement
- Il en résulte de brèves impulsions de photons
Comment se forment les noyaux d’or
- Lorsqu’un photon interagit avec un noyau, il peut exciter les vibrations de sa structure interne, un processus appelé dissociation électromagnétique
- La dissociation électromagnétique peut provoquer l’émission de quelques neutrons et protons
- Pour produire de l’or à partir d’un noyau de plomb dans le faisceau du LHC, il faut retirer 3 des 82 protons
- Noyau de plomb : 82 protons
- Noyau d’or : 79 protons
- Le schéma montre une collision ultra-périphérique où deux faisceaux d’ions de plomb 208Pb passent l’un près de l’autre sans entrer en collision, et où une interaction photon–noyau éjecte 2 neutrons et 3 protons, laissant un noyau d’or 203Au
La production d’éléments distinguée par les ZDC d’ALICE
- L’équipe ALICE a utilisé les zero degree calorimeters (ZDC) du détecteur pour compter le nombre de protons émis après les interactions photon–noyau
- Émission de 0 proton et d’au moins 1 neutron : associée à la production de plomb
- Émission de 1 proton et d’au moins 1 neutron : associée à la production de thallium
- Émission de 2 protons et d’au moins 1 neutron : associée à la production de mercure
- Émission de 3 protons et d’au moins 1 neutron : associée à la production d’or
- La production d’or est moins fréquente que celle de thallium ou de mercure
- À l’heure actuelle, le LHC produit de l’or lors des collisions plomb–plomb au point d’interaction d’ALICE à un rythme pouvant atteindre environ 89 000 noyaux par seconde
- Les noyaux d’or produits quittent le point de collision avec une énergie très élevée et heurtent le tube de faisceau du LHC ou les collimateurs en différents points situés en aval
- Sur place, les noyaux d’or se fragmentent immédiatement en protons isolés, neutrons et autres particules, et n’existent donc que pendant un temps extrêmement bref
Une quantité infime, mais importante pour comprendre les pertes de faisceau
- Selon l’analyse d’ALICE, environ 86 milliards de noyaux d’or ont été produits dans les quatre principales expériences pendant le Run 2 du LHC, entre 2015 et 2018
- En masse, cela correspond à 29 picogrammes, soit 2,9 × 10^-11 g
- La luminosité du LHC continue d’augmenter grâce à des mises à niveau régulières, si bien que le Run 3 produit presque deux fois plus d’or que le Run 2
- La quantité totale produite reste malgré tout des billions de fois inférieure à celle nécessaire pour fabriquer un seul bijou
- Grâce aux capacités des ZDC d’ALICE, cette analyse constitue la première détection et étude expérimentale systématique d’un signal de production d’or au LHC
- Les résultats servent à tester et à améliorer les modèles théoriques de dissociation électromagnétique
- Ces modèles sont utilisés pour comprendre et prévoir les pertes de faisceau, un facteur majeur qui limite les performances du LHC et des futurs collisionneurs
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Le passage pertinent, c’est celui-ci : « Selon l’analyse d’ALICE, environ 86 milliards de noyaux d’or ont été produits dans les quatre grandes expériences pendant le Run 2 du LHC (2015-2018). En masse, cela correspond à 29 picogrammes (2,9 × 10^-11 g) »
Pour produire 1 once, il suffirait de passer à l’échelle de milliers de milliards, mais transformer le plomb en or — le rêve d’innombrables alchimistes — est désormais devenu un sous-produit d’un accélérateur de particules
Un gramme d’or contient 1 000 milliards de milliards de noyaux d’or
J’ai travaillé sur ma thèse de doctorat au Brookhaven National Lab, où se trouve le RHIC, le prédécesseur du programme d’ions lourds du LHC
À l’époque, un chercheur senior m’a raconté un échange qui avait eu lieu lors d’une revue du programme en cours. Le RHIC faisait alors entrer en collision de l’or dans son programme d’ions lourds, et un reviewer a demandé s’il ne serait pas possible d’économiser en passant à un élément moins cher, comme le plomb. Apparemment, personne côté RHIC ne savait quoi répondre. Je ne me souviens pas des chiffres exacts, mais sur toute la durée du programme, le RHIC a utilisé à peu près moins de 1 milligramme d’or
Il y avait une chambre en forme de cloche dans laquelle on plaçait les wafers, et quelle que soit la taille du wafer, tout l’intérieur de la chambre était uniformément recouvert d’or. Le technicien qui faisait tourner l’équipement mettait parfois sa bague dans la chambre avec ses échantillons, et au fil des années, les couches s’accumulaient pour la faire progressivement « se transformer en or »
L’or produit est de l’or 203 : il est radioactif et se désintègre en mercure 203 en une minute. Le mercure 203 est lui aussi radioactif. L’or que nous connaissons est l’or 197
Ce n’est pas du tout non plus la première fois qu’on transforme du plomb en or. La transmutation du plomb en or 197 a déjà été réalisée en 1980. Dans tous ces cas, les quantités produites sont si infimes que leur valeur comme métal précieux est en pratique nulle
Pour m’amuser, j’ai calculé combien de temps il faudrait au LHC et à ALICE pour produire assez d’or afin de financer eux-mêmes le coût du FCC. J’ai supposé 15 milliards de CHF au cours actuel de l’or en CHF, dans des conditions parfaites et en ignorant toutes les limites
Résultat : environ 185 milliards d’années en fonctionnement continu. Pour référence, l’âge de l’Univers est d’environ 14 milliards d’années. Ici, j’ignore la tension de Hubble
Chaque fois que j’entends des discussions sur le progrès technologique, je me fais cette réflexion. On avance souvent qu’au début du XXe siècle, beaucoup de gens pensaient qu’on approchait du sommet de la technologie, et cette histoire ressort aujourd’hui quand on entend le même argument.
Je ne pense pas que nous en soyons là aujourd’hui, mais j’ai l’impression que les limites dont nous nous approchons relèvent moins des limites de la connaissance que de celles des ressources et de l’ingénierie. L’alchimie existe littéralement, mais nous n’avons pas la capacité de produire de l’or en quantités significatives. Non pas parce qu’on ne sait pas comment faire, mais parce que ce n’est pas pratique. Jusqu’où la science des matériaux, la chimie, et peut-être la physique, peuvent-elles encore nous mener sur le plan des technologies pratiques ? Certainement très loin, mais je ne pense pas que le rythme des progrès technologiques dans ces domaines puisse se maintenir. Bien sûr, même si cela ne s’applique pas immédiatement à la technologie, il reste énormément à apprendre.
Là où je pense qu’il reste vraiment une grande abondance de connaissances applicables et pratiques, c’est en biochimie et en biologie. Nous n’avons encore fait qu’effleurer le sujet. Nous ne trouverons peut-être jamais de moyen de voyager plus vite que la lumière, mais si l’on peut adapter le corps pour le maintenir en état de stase pendant des centaines ou des milliers d’années, ce ne sera peut-être pas un si gros problème. Le fait de pouvoir manipuler facilement la biologie me semble bien plus dangereux que la prolifération nucléaire. Cela dit, je ne suis pas spécialiste de ces domaines.
L’espace de conception des métamatériaux et des machines moléculaires qui reste à explorer est immense.
C’est parce que, même avec de bons cadres théoriques, des outils mathématiques et de la puissance de calcul, on n’y arrive que dans une certaine mesure à l’échelle inférieure à l’ångström ; au-delà du millimètre, on dispose d’outils de génie mécanique comme la FEM, mais l’échelle nano à micro, où apparaissent en réalité la plupart des propriétés des matériaux, est pratiquement incalculable. Même les calculs de propriétés de matériaux à partir des premiers principes restent difficiles au-delà de systèmes légers de quelques atomes, à mon avis. N’étant pas quelqu’un doté d’une intuition exceptionnelle en mathématiques avancées et en calcul différentiel et intégral, capable de résoudre ce genre de problèmes, la nature de la recherche doctorale dans ce domaine ne m’attirait pas personnellement. Cela dit, les fabs de semi-conducteurs et les labos de catalyse ont accompli de grands progrès grâce à des méthodes d’expérimentation massive, systématiques et répétitives.
Si l’on parvient à rendre calculable l’échelle nano à micro, cela provoquera une transformation immense, comparable à la révolution industrielle et à la révolution des technologies de l’information. Je pense que la révolution biologique a elle aussi besoin, fondamentalement, d’une calculabilité similaire pour manipuler les protéines, même s’il semble exister des détours via l’utilisation de bactéries. Ces dernières années, j’ai vu de temps en temps des articles suggérant des progrès en mathématiques et en calculabilité à l’échelle nano à micro, et cela me rend assez optimiste quant à de grandes avancées technologiques.
Il vaut la peine de se demander s’il existe un principe qui explique la relation entre les deux. Si j’ai eu un temps l’impression que nous nous heurtions à un mur, c’était à cause de la crise évidente que traverse la démocratie, des limites de la puissance de calcul informatique, de l’enshittification des services qui pourrissent de l’intérieur, de notre incapacité à réaliser des choses comme le train à grande vitesse, des progrès lents des voitures autonomes, et de la prise de conscience que les bâtiments existants des villes resteront longtemps en place et ne se transformeront pas du jour au lendemain en décor cyberpunk.
Mais si notre époque n’était pas appelée à rester dans les mémoires pour les menaces contre la démocratie, la pandémie et la guerre, nous aurions peut-être le recul nécessaire pour nous souvenir d’elle comme d’une période de véritables avancées majeures aux frontières de la science. CRISPR et l’IA suffisent à eux seuls à représenter les accomplissements d’une époque. Donc, pour revenir au point de départ, je ne pense pas que les progrès réalisés jusqu’ici prouvent déjà que notre capacité à transformer la frontière de la connaissance en applications va bientôt ralentir. Je comprends l’idée, mais je suis un peu plus optimiste.
Je me demande si la vraie raison pour laquelle les physiciens étaient obsédés par la transformation des métaux vils en or n’était pas le LHC.
Newton a consacré environ 30 ans de sa vie à l’alchimie, et ses autres travaux étaient en réalité presque des activités secondaires.
Je me demande pourquoi, historiquement, le plomb et l’or ont été aussi étroitement associés. Pourquoi les alchimistes se concentraient-ils sur la transformation du plomb en or ? Pourquoi ne pas partir du fer ou d’une pierre comme le quartz ? Était-ce simplement parce que ce sont deux métaux lourds et malléables ?
Avec les seules informations disponibles à l’époque, ce n’était pas une si mauvaise théorie. Après tout, tous les métaux viennent bien de la terre. L’idée de transformer le plomb en or n’était pas une pensée magique, mais une tentative de reproduire et d’accélérer en laboratoire des conditions naturelles. C’est assez proche de ce que nous faisons aujourd’hui de centaines de façons différentes. Si quelqu’un avait réussi, cela aurait été, pour l’époque, l’équivalent de l’expérience de la double fente : une preuve complète que la théorie alchimique était correcte.
Vous connaissez sans doute les scènes de films médiévaux où l’on mord une pièce : c’était pour vérifier si c’était de l’or ou du plomb. Le plomb était donc l’incarnation du faux, et il s’agissait en quelque sorte de transformer le faux en vrai.
« Cette quête ancienne, connue sous le nom de chrysopée, a peut-être été motivée par l’observation que le plomb, d’un gris terne et relativement abondant, possède une densité proche de celle de l’or, longtemps convoité pour sa belle couleur et sa rareté. »
J’ai l’impression que ce que l’alchimie cherchait à changer n’était pas tant les propriétés atomiques que le transfert au plomb de certaines propriétés de l’or, comme le point de fusion et la couleur, afin de produire en laboratoire un or moins cher.
Il y a certainement eu aussi des tentatives pour transformer l’argent en or. Comme l’argent est plus proche en poids, le changement nécessaire devait sembler plus faible.
Tout ce qu’il fallait aux alchimistes, c’était un grand collisionneur de particules. Ils étaient vraiment en avance sur leur temps.
Il y a une scène de la série de SF Mission Earth de L. Ron Hubbard qui me reste en tête depuis des années. Le protagoniste, en pratique presque un antagoniste, qui se prépare à une mission d’infiltration sur Terre, se rend dans une zone remplie de centrales à fusion de sa ville et commande une énorme quantité d’or à emporter.
Au final, cela représente assez d’or pour faire s’effondrer l’économie terrestre. Mais ce qui m’est surtout resté, c’est l’idée de fabriquer des éléments à la demande.
Ce n’est pas simplement le bombardement direct d’une cible dans un accélérateur de particules : c’est une nouvelle façon de transformer du plomb en or, par des collisions rapprochées au CERN. La quantité produite est submicroscopique et radioactive.