Detectan por primera vez la conversión de plomo en oro en el LHC

• La colaboración ALICE del CERN publicó en Physical Review Journals una medición cuantitativa del proceso por el cual núcleos atómicos de plomo se convierten en núcleos atómicos de oro en el LHC
• Este fenómeno ocurre en colisiones cercanas, mucho más frecuentes que las colisiones frontales, donde campos electromagnéticos intensos inducen interacciones fotón–núcleo atómico
• Como el plomo tiene 82 protones y el oro 79, para que los núcleos de plomo del haz del LHC se conviertan en oro deben desprenderse 3 protones
• ALICE contó con los ZDC la cantidad de protones emitidos para distinguir la producción de plomo, talio, mercurio y oro; en el punto de colisión de ALICE, los núcleos de oro se producen a una tasa máxima de aproximadamente 89,000 por segundo
• Durante el Run 2 de 2015–2018, en los cuatro experimentos principales se produjeron alrededor de 86,000 millones de núcleos de oro, pero su masa fue de apenas 29 picogramos, y el oro generado se fragmenta de inmediato al chocar contra el tubo del haz o los colimadores

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Medición de la transmutación nuclear de plomo a oro

• La colaboración ALICE publicó en Physical Review Journals una medición que cuantifica la conversión de plomo en oro en el Large Hadron Collider del CERN
• La conversión de plomo en oro, sueño de la alquimia medieval, es imposible mediante métodos químicos, pero desde la física nuclear del siglo XX se sabe que los elementos pesados pueden convertirse en otros elementos por desintegración radiactiva o colisiones de partículas
• Aunque el oro ya se había producido artificialmente antes, esta medición se centra en el mecanismo que ocurre en colisiones cercanas de núcleos atómicos de plomo en el LHC

Colisiones cercanas, más frecuentes que las frontales

• Las colisiones frontales plomo–plomo de alta energía en el LHC pueden crear plasma de quarks y gluones, un estado de materia caliente y denso que se cree llenó el universo alrededor de una millonésima de segundo después del Big Bang
• En interacciones más frecuentes, los dos núcleos atómicos pasan rozándose sin “tocarse”, y los intensos campos electromagnéticos a su alrededor inducen interacciones fotón–fotón y fotón–núcleo atómico
• Los núcleos atómicos de plomo contienen 82 protones, por lo que su campo electromagnético es particularmente intenso
• Dentro del LHC, los núcleos atómicos de plomo se desplazan a velocidades extremadamente altas, equivalentes al 99.999993% de la velocidad de la luz
  • Debido a esta velocidad, las líneas del campo electromagnético se comprimen en una forma delgada de panqueque perpendicular a la dirección del movimiento
  • Como resultado, se generan pulsos de fotones de muy corta duración

Cómo se producen los núcleos atómicos de oro

• Cuando un fotón interactúa con un núcleo atómico, puede excitar oscilaciones en la estructura interna del núcleo; este proceso se denomina disociación electromagnética
• La disociación electromagnética puede provocar la emisión de una pequeña cantidad de neutrones y protones
• Para producir oro a partir de núcleos atómicos de plomo dentro del haz del LHC, deben eliminarse 3 de sus 82 protones
  • Núcleo atómico de plomo: 82 protones
  • Núcleo atómico de oro: 79 protones
• El diagrama muestra una colisión ultraperiférica en la que dos haces de iones de plomo 208Pb pasan cerca sin colisionar, y por una interacción fotón–núcleo atómico se emiten 2 neutrones y 3 protones, dejando un núcleo atómico de oro 203Au

La producción de elementos distinguida por los ZDC de ALICE

• El equipo de ALICE usó los zero degree calorimeters (ZDC) del detector para contar la cantidad de protones emitidos tras las interacciones fotón–núcleo atómico
  • Emisión de 0 protones y al menos 1 neutrón: asociada con la producción de plomo
  • Emisión de 1 protón y al menos 1 neutrón: asociada con la producción de talio
  • Emisión de 2 protones y al menos 1 neutrón: asociada con la producción de mercurio
  • Emisión de 3 protones y al menos 1 neutrón: asociada con la producción de oro
• La producción de oro ocurre con menor frecuencia que la de talio o mercurio
• Actualmente, en las colisiones plomo–plomo del punto de colisión de ALICE, el LHC produce oro a una tasa máxima de aproximadamente 89,000 núcleos atómicos por segundo
• Los núcleos atómicos de oro generados salen del punto de colisión con energía muy alta y chocan contra el tubo del haz del LHC o contra colimadores en distintos puntos aguas abajo
• Los núcleos atómicos de oro se fragmentan de inmediato en protones individuales, neutrones y otras partículas, por lo que existen durante un tiempo extremadamente breve

La cantidad producida es minúscula, pero importante para entender la pérdida de haz

• Según el análisis de ALICE, durante el periodo 2015–2018 del Run 2 del LHC se produjeron alrededor de 86,000 millones de núcleos atómicos de oro en los cuatro experimentos principales
• En masa, eso corresponde a 29 picogramos, es decir, 2.9 × 10^-11 g
• Como la luminosidad del LHC sigue aumentando con actualizaciones periódicas, en el Run 3 se produce casi el doble de oro que en el Run 2
• La cantidad total producida sigue siendo billones de veces menor que la necesaria para fabricar una pieza de joyería
• Gracias a las capacidades de los ZDC de ALICE, este análisis es el primer caso en el que se detectó y analizó de forma experimental y sistemática una señal de producción de oro en el LHC
• Los resultados se utilizan para probar y mejorar los modelos teóricos de disociación electromagnética
  • Estos modelos se emplean para entender y predecir la pérdida de haz, uno de los principales factores que limitan el rendimiento del LHC y de futuros colisionadores

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Opiniones de Hacker News

• La parte relevante es esta: “Según el análisis de ALICE, durante el LHC Run 2 (2015~2018) se produjeron alrededor de 86 mil millones de núcleos de oro en los cuatro experimentos principales. En masa, eso equivale a 29 picogramos (2.9 ×10-11 g)”
  Para producir 1 onza, bastaría con escalarlo en órdenes de billones, pero convertir plomo en oro —el sueño de innumerables alquimistas— ahora es un subproducto de un acelerador de partículas

  • Hice el cálculo y el precio del oro tendría que estar en torno a 48 billones × 1 billón de dólares por onza para que el LHC llegue al punto de equilibrio
  • La escala es realmente absurda. 86 mil millones de núcleos son apenas 29 picogramos, y 1 gramo son 10^12 picogramos
    En 1 gramo de oro hay 1,000 billion billion núcleos de oro
  • Que convertir plomo en oro se haya vuelto un subproducto de un acelerador de partículas: esta es la piedra filosofal definitiva
  • Alguien tiene que contactar rápido a nVidia. Ya están integrando aceleradores en las GPU y tienen una escalabilidad mejor que la ley de Moore
  • Considerando que no era el subproducto que estaban buscando originalmente, si esto se convirtiera en el objetivo principal, los números podrían subir muchísimo

• Hice mi investigación de doctorado en Brookhaven National Lab, donde está RHIC, el precursor del programa de iones pesados del LHC
  En ese entonces, un científico sénior me contó una conversación que ocurrió durante una revisión del programa en curso. En esa época, RHIC estaba haciendo colisionar oro en el programa de iones pesados, y un revisor preguntó si no podrían ahorrar costos cambiando a un elemento más barato, como el plomo. Según él, nadie del lado de RHIC supo qué responder. No recuerdo las cifras exactas, pero durante toda la duración del programa, RHIC usó aproximadamente menos de 1 miligramo de oro

  • Hace tiempo trabajé en un laboratorio que tenía equipo de deposición de capas atómicas de oro. Creo que cobraban una suma pequeña por cada monocapa atómica de oro, quizá unos centavos o unos pocos dólares
    Había una cámara con forma de campana donde se colocaba la oblea, y sin importar el tamaño de la oblea, todo el interior de la cámara quedaba recubierto uniformemente de oro. El técnico que operaba el equipo solía meter un anillo en la cámara junto con sus muestras y, a lo largo de los años, hacía que las capas se acumularan hasta que el anillo se fuera “convirtiendo en oro”
  • Si hubieran cambiado a plomo, quizá para estas alturas ya habrían producido unos cuantos miligramos de oro

• El oro producido es oro-203, es radiactivo y decae en mercurio-203 en un minuto. El mercurio-203 también es radiactivo. El oro que conocemos es oro-197
  Tampoco es en absoluto el primer caso de convertir plomo en oro. La transmutación de plomo a oro-197 ya se había logrado en 1980. En todos estos casos, la cantidad producida es tan pequeña que su valor como metal precioso es prácticamente cero

  • Mercurio-203 suena como una combinación espantosa. El mercurio ya es lo bastante tóxico por sí solo; no hacía falta que además fuera radiactivo

• Por diversión, calculé cuánto tardarían el LHC y ALICE en producir suficiente oro como para autofinanciar el costo del FCC. Asumí 15 mil millones de CHF al precio actual del oro en CHF, bajo condiciones perfectas e ignorando todos los límites
  La conclusión es que tomaría unos 185 mil millones de años de operación continua. Como referencia, el universo tiene unos 14 mil millones de años. Aquí estoy ignorando la tensión de Hubble

  • Como el costo de producir el oro sería mayor que el valor del oro obtenido, en la práctica habría que considerarlo un tiempo infinito
  • No hay que preocuparse de que el LHC diluya la oferta de oro. Eso lo hará la minería de asteroides
  • Estás suponiendo que producirán oro de la misma manera. Es muy probable que el proceso mejore. ¿Qué pasaría si incluyeras la tasa de crecimiento?

• Cada vez que escucho discusiones sobre el avance tecnológico, pienso en esto. A menudo aparece la afirmación de que, a principios del siglo XX, mucha gente creía que nos acercábamos a la cúspide de la tecnología, y cuando hoy se plantea el mismo argumento, esa historia vuelve a salir
  No creo que ya hayamos llegado a ese punto, pero siento que los límites a los que nos estamos acercando no son tanto límites del conocimiento como de recursos e ingeniería. La alquimia existe literalmente, pero no tenemos la capacidad de producir cantidades significativas de oro. No porque no sepamos cómo, sino porque no es práctico. ¿Cuánto más podrán aportar la ciencia de materiales, la química y quizá la física en términos de tecnologías prácticas? Seguramente mucho, pero no creo que el ritmo de avance tecnológico en estos campos se mantenga. Por supuesto, hay muchísimo por aprender aunque no se aplique de inmediato a la tecnología
  Donde creo que todavía queda una enorme abundancia de conocimiento aplicable y práctico es en la bioquímica y la biología. Apenas hemos rascado la superficie. Puede que nunca encontremos una forma de viajar más rápido que la luz, pero si pudiéramos adaptar el cuerpo para mantenerlo en estado suspendido durante cientos o miles de años, quizá eso no sería un gran problema. Siento que poder manipular la biología con facilidad sería mucho más peligroso que la proliferación nuclear. En fin, no soy especialista en estos campos

  • Estoy totalmente en desacuerdo. La ciencia de materiales y la química apenas han rascado la superficie y, en general, tratan con las propiedades a granel de materiales relativamente simples
    El espacio de diseño de metamateriales y máquinas moleculares que aún no hemos explorado es enorme
  • La ciencia de materiales todavía es, en gran parte, una especie de oficio basado en conjeturas informadas, mezclas y pruebas interminables de cambios muy pequeños en composición y procesos
    Esto se debe a que, incluso con buenos marcos teóricos, técnicas matemáticas y capacidad de cómputo, por debajo de la escala del angstrom solo se puede llegar hasta cierto punto, y por encima de la escala del milímetro existen herramientas de ingeniería mecánica como FEM, pero la escala nano a micro, donde en realidad surgen la mayoría de las propiedades de los materiales, es prácticamente incalculable. Creo que incluso los cálculos de propiedades de materiales desde primeros principios, más allá de sistemas ligeros de unos pocos átomos, siguen siendo difíciles. Como no soy alguien con gran intuición en matemáticas avanzadas y cálculo para resolver estos problemas, personalmente no me atrajo el carácter de la investigación de posgrado en esta área. Aun así, las fabs de semiconductores y los laboratorios de catalizadores han logrado grandes avances mediante experimentación masiva, sistemática y repetitiva
    Si se resuelve la computabilidad a escala nano a micro, producirá una transformación enorme, comparable a la Revolución Industrial y a la revolución de las tecnologías de la información. Creo que la revolución biológica también necesita básicamente una computabilidad similar para manipular proteínas, aunque también parecen existir atajos usando bacterias. En los últimos años he visto de vez en cuando artículos que sugieren avances en matemáticas y computabilidad a escala nano a micro, así que soy bastante optimista de que habrá grandes avances tecnológicos
  • Bah, la singularidad está programada para el próximo martes más o menos, y todavía ni siquiera construimos una esfera de Dyson
  • Es una pregunta interesante hasta dónde podemos llevar nuestro conocimiento y capacidad tecnológica hacia aplicaciones reales. Porque por muy lejos que avance la frontera del entendimiento, la frontera de lo aplicable también tiene que avanzar detrás de ella
    Vale la pena pensar si existe algún principio que explique la relación entre ambas. En algún momento sentí que habíamos chocado contra un muro por la crisis evidente que atraviesa la democracia, los límites de la capacidad de procesamiento de las computadoras, la enshittification de los servicios desde adentro, la realidad de no poder concretar cosas como trenes de alta velocidad, el avance lento de los autos autónomos y la comprensión de que los edificios existentes de las ciudades permanecerán mucho tiempo y no se transformarán de la noche a la mañana en algo cyberpunk
    Pero si nuestra época no fuera recordada por amenazas a la democracia, pandemias y guerras, quizá tendríamos margen para recordarla como una era con avances realmente importantes en la frontera científica. CRISPR y AI por sí solos bastan como logros representativos de una época. Así que, volviendo al punto original, no creo que el progreso hasta ahora sea todavía evidencia de que nuestra capacidad para trasladar la frontera del conocimiento hacia aplicaciones vaya a desacelerarse pronto. Entiendo la idea, pero soy un poco más optimista

• Me pregunto si la verdadera razón por la que los físicos estaban obsesionados con convertir metales no preciosos en oro era el LHC
  Newton dedicó unos 30 años de su vida a la alquimia, y sus otros logros en realidad fueron casi trabajos secundarios

  • Si te preocupa que te corten el financiamiento, convertir plomo en oro también podría ser una vía alternativa
  • Es algo divertido. Desde hace mucho se sabía que era posible, solo que el costo era absurdamente alto
  • Parece que Ars Magna sigue viva, después de todo. Si los alquimistas lograran superar el shock de tener que corregir enormemente sus teorías religiosas sobre la naturaleza, creo que habrían encontrado realmente fascinante la era de la química moderna
  • https://www.laphamsquarterly.org/magic-shows/miscellany/alch...
  • Claramente los Anunnaki hicieron su última apuesta en un enorme proyecto de oro atmosférico

• Me da curiosidad por qué históricamente el plomo y el oro estuvieron tan estrechamente vinculados. ¿Por qué los alquimistas se concentraron en convertir plomo en oro? ¿Por qué no empezar con hierro o con una piedra como el cuarzo? ¿Sería simplemente porque ambos son metales pesados y blandos?

  • La teoría dominante en ese entonces era que los metales crecían bajo tierra, empezaban como no metales y, con el tiempo o bajo ciertas condiciones, se transformaban en metales superiores, hasta llegar finalmente al oro. Como el oro no se oxida, lo veían como el punto final
    Con la información disponible en esa época, no era una teoría tan mala. Al fin y al cabo, todos los metales salen de la tierra. La idea de convertir plomo en oro no era pensamiento mágico, sino un intento de reproducir y acelerar en el laboratorio las condiciones naturales. Es parecido a lo que hacemos hoy de cientos de maneras distintas. Si alguien lo hubiera logrado, habría sido, como el experimento de la doble rendija de su época, una prueba completa de que la teoría alquímica era correcta
  • Probablemente se debía a que el plomo se usaba en monedas falsificadas. Se recubría el plomo con una capa delgada de oro
    Seguro conoces las escenas de películas medievales donde muerden una moneda; era para verificar si era oro o plomo. Por eso el plomo era la encarnación de lo falso, y se trataba de convertir lo falso en verdadero
  • El artículo también dice esto:
    “Esta antigua búsqueda, conocida como chrysopoeia, pudo haber sido motivada por la observación de que el plomo, gris opaco y relativamente abundante, tiene una densidad similar a la del oro, largamente codiciado por su hermoso color y su rareza”
  • Si querías hacer pasar plomo dorado como oro auténtico, era más fácil que vender pirita como si fuera oro. Aunque el punto de fusión mucho más alto del oro era una pista que podía delatarlo
    Creo que lo que la alquimia intentaba cambiar no eran tanto las propiedades atómicas, sino transferir al plomo ciertas propiedades del oro, como el punto de fusión y el color, para producir oro más barato en el laboratorio
  • Tal vez era porque el peso estaba “lo suficientemente cerca”. Al menos más cerca que el hierro, así que pudieron pensar que estaban estrechamente relacionados. Entonces, con unos pequeños ajustes, podría volverse brillante, hermoso y un 40% más pesado
    Seguro también intentaron convertir plata en oro. Como la plata tiene un peso más parecido, habrían pensado que el cambio necesario era menor

• Lo único que les faltaba a los alquimistas era un gran colisionador de partículas. Eran gente demasiado adelantada a su tiempo

  • Solo hace falta un círculo de transmutación más grande, de verdad. Con un círculo de transmutación más se puede convertir materia orgánica en oro. Solo hay que dibujarlo una vez más rodeando toda la ciudad
  • Quién iba a saber que la piedra filosofal tenía que tener forma de anillo y estar enterrada muy profundo

• Hay una escena de la serie de ciencia ficción Mission Earth, de L. Ron Hubbard, que se me quedó grabada durante años. El protagonista, que en realidad es casi un villano, estaba preparándose para una misión de infiltración en la Tierra y fue a una zona de su ciudad llena de plantas de fusión para encargar una gran cantidad de oro para llevarse
  El resultado fue tanto oro que podría colapsar la economía terrestre. Pero lo que me quedó fue la idea de fabricar elementos por encargo

  • Eran 500 toneladas, y se vendieron por unos 500 millones de dólares de los años 80. Era bastante dinero, pero no como para sacudir a la Tierra. Y además él lo perdió todo

• Esto no es simplemente bombardear directamente un blanco dentro de un acelerador de partículas, sino una nueva forma de convertir plomo en oro mediante colisiones cercanas en el CERN. La cantidad producida es submicroscópica y radiactiva