El viejo sueño de los alquimistas, hecho realidad: físicos del CERN logran transmutar el plomo en oro

Pero la llegada de la física nuclear en el siglo XX abrió una nueva perspectiva. Y se descubrió que los elementos pesados podían transformarse en otros a través de procesos nucleares, ya sea mediante la desintegración radiactiva natural o siendo bombardeados en laboratorio con partículas como neutrones o protones. De hecho, los científicos ya habían conseguido producir oro artificialmente por estas vías. Aunque nunca por medio de la transmutación del plomo.

Pero ahora se ha dado un paso más. Un equipo de investigadores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear con sede en Ginebra, ha logrado, por fin, la hazaña que perseguían los antiguos alquimistas: transmutar el plomo en oro. Y lo han hecho por medio de un mecanismo novedoso, resultado de 'cuasi-colisiones' (partículas que se rozan en vez de chocar directamente) entre núcleos de plomo a energías inimaginables. Los resultados de este experimento acaban de ser publicados por la colaboración ALICE (uno de los cuatro grandes experimentos del LHC) en 'Physical Review Letters'.

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El LHC, la mayor máquina jamás construida por el hombre, acelera primero y hace colisionar después partículas a velocidades cercanas a la de la luz en el interior de una serie de tuberías en forma de anillo que forman un círculo de 27 km de diámetro. Estas colisiones frontales, medidas por cuatro grandes detectores, generan un estado de la materia extremadamente caliente y denso conocido como plasma quark-gluón, la misma sustancia que se cree que llenó el Universo una millonésima de segundo después del Big Bang.

Sin embargo, y mucho más frecuentes que las colisiones directas, son las interacciones en las que los núcleos no chocan, sino que pasan muy cerca el uno del otro, rozándose a nivel subatómico. En estas 'cuasi colisiones', los intensos campos electromagnéticos que rodean a los núcleos en movimiento pueden interactuar de formas sorprendentes, dando lugar a fenómenos como las interacciones fotón-fotón y fotón-núcleo.

Un núcleo de plomo, con sus 82 protones, cada uno portando una carga eléctrica positiva, genera un campo electromagnético particularmente fuerte. Además, la velocidad asombrosa a la que viajan estos núcleos en el LHC (un 99,999993% de la velocidad de la luz) provoca que las líneas de este campo electromagnético se aplasten en una especie de delgada 'tortita', perpendicular a la dirección del movimiento, que produce un pulso efímero de fotones, las partículas elementales de las que se compone la luz.

En estas interacciones ultrarrápidas, un fotón emitido por un núcleo de plomo puede interactuar con el otro núcleo que pasa cerca. Y esa interacción puede excitar las oscilaciones internas del núcleo objetivo, un proceso conocido como disociación electromagnética. Como resultado de dicha excitación, el núcleo puede expulsar pequeñas cantidades de neutrones y protones.

Y aquí es, precisamente, donde está la clave de la transmutación. Un núcleo de oro contiene 79 protones, tres menos que un núcleo de plomo (que tiene 82). Por lo tanto, si un núcleo de plomo, en su encuentro fugaz con otro, pierde exactamente tres protones debido a la interacción con un fotón de alta energía, acaba transformado en un núcleo de oro.

«Es impresionante -explica Marco Van Leeuwen, portavoz de la colaboración ALICE- ver cómo nuestros detectores pueden manejar colisiones frontales que producen miles de partículas, al mismo tiempo que son lo suficientemente sensibles para estudiar colisiones donde solo se producen unas pocas partículas a la vez, lo que permite el estudio de procesos de 'transmutación nuclear' electromagnética».

El equipo de ALICE utilizó los calorímetros de cero grados (ZDC) de su detector para identificar y contar las interacciones fotón-núcleo que resultaron en la emisión de cero, uno, dos y tres protones, acompañados de al menos un neutrón. Estas emisiones se asocian, respectivamente, con la permanencia del plomo, la producción de talio (81 protones), mercurio (80 protones) y, finalmente, oro (79 protones).

Si bien la creación de talio y mercurio fue más frecuente, los resultados revelaron que el LHC actualmente produce oro a una tasa máxima de aproximadamente 89.000 núcleos por segundo en el punto de colisión del detector ALICE. Sin embargo, esos núcleos duran poco. De hecho, son extremadamente energéticos y terminan chocando contra la tubería por la que circula el haz de partículas, donde inmediatamente se fragmentan en protones, neutrones y otras partículas. La existencia del oro es, por lo tanto, fugaz, y dura apenas una minúscula fracción de segundo.

El análisis de los datos recopilados durante el segundo periodo de funcionamiento del LHC (Run 2, entre 2015 y 2018) reveló que se crearon aproximadamente 86.000 millones de núcleos de oro en los cuatro grandes experimentos del colisionador. A pesar de lo abultado de la cifra, esa cantidad, en términos de masa, en realidad es minúscula: apenas 29 picogramos (2,9 × 10⁻¹¹ gramos) de oro.

Gracias a las continuas mejoras en la luminosidad del LHC, el tercer periodo de funcionamiento (Run 3) ha producido casi el doble de oro que el periodo anterior. Pero, a pesar de ello, la masa total de oro generada sigue siendo trillones de veces menor de lo que se necesitaría para fabricar un simple anillo. Lo cual significa que, aunque el sueño de los alquimistas se ha cumplido (por lo menos en su parte técnica), sus esperanzas de riqueza, una vez más, se desvanecen.

«Gracias a las capacidades únicas de los ZDC del detector ALICE -señala Uliana Dmitrieva, miembro de la colaboración-, este análisis es el primero en detectar y analizar sistemáticamente la firma de la producción de oro en el LHC experimentalmente».

Más allá de la fascinación por la transmutación de elementos, el estudio tiene importantes implicaciones para la física de altas energías y el funcionamiento del propio LHC. «Los resultados -explica John Jowett, también miembro de la colaboración ALICE- sirven para probar y mejorar los modelos teóricos de disociación electromagnética que, más allá de su interés físico intrínseco, se utilizan para comprender y predecir las pérdidas de haz, que son un límite importante en el rendimiento del LHC y futuros colisionadores».

La capacidad de comprender y modelar con precisión las interacciones electromagnéticas entre núcleos a estas energías extremas, en efecto, es crucial para optimizar el funcionamiento de los aceleradores de partículas. Las pérdidas de haz, causadas por partículas que se desvían de su trayectoria, pueden dañar los detectores y limitar la intensidad de los haces, lo que a su vez reduce la tasa de colisiones y, por lo tanto, la cantidad de datos científicos que se pueden obtener.

Por eso, al estudiar la producción de oro y otros elementos mediante la disociación electromagnética, los científicos pueden afinar sus modelos teóricos, lo que permitirá diseñar y operar futuros colisionadores de manera más eficiente y segura. Lo cual, a su vez, allanará el camino para explorar aún más profundamente los misterios del Universo en las escalas más fundamentales.

La visión de los alquimistas de transformar el plomo en oro para obtener riqueza, pues, sigue siendo una fantasía. Pero la ciencia moderna ha logrado esta transmutación de una forma que ellos nunca podrían haber imaginado. El LHC, con su extraordinario poder para manipular el mundo subatómico, ha convertido el viejo sueño en una realidad científica, aunque sea por una fracción infinitesimal de segundo. Un logro que no solo satisface una curiosidad histórica, sino que también impulsa nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y nos acerca a un futuro de descubrimientos aún más asombrosos.