Erstmals Umwandlung von Blei in Gold am LHC nachgewiesen

• Die ALICE-Kollaboration bei CERN hat den Prozess, bei dem sich Bleikerne am LHC in Goldkerne umwandeln, quantitativ gemessen und in den Physical Review Journals veröffentlicht
• Dieses Phänomen tritt bei Nahbegegnungen auf, die weit häufiger als frontale Kollisionen sind und bei denen starke elektromagnetische Felder Photon-Kern-Wechselwirkungen auslösen
• Da Blei 82 Protonen und Gold 79 besitzt, müssen aus einem Bleikern im LHC-Strahl 3 Protonen herausgelöst werden, damit Gold entsteht
• ALICE unterschied mit dem ZDC anhand der Zahl emittierter Protonen die Entstehung von Blei, Thallium, Quecksilber und Gold; am ALICE-Kollisionspunkt werden Goldkerne mit einer Rate von bis zu etwa 89.000 pro Sekunde erzeugt
• Während Run 2 von 2015 bis 2018 entstanden in den vier großen Experimenten rund 86 Milliarden Goldkerne, ihre Masse beträgt jedoch nur 29 Pikogramm, und das erzeugte Gold zerfällt sofort wieder, nachdem es auf das Strahlrohr oder Kollimatoren trifft

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Messung der Kernumwandlung von Blei zu Gold

• Die ALICE-Kollaboration hat eine Messung zur Quantifizierung der Umwandlung von Blei in Gold am CERN-Large Hadron Collider in den Physical Review Journals veröffentlicht
• Die Umwandlung von Blei in Gold, ein Traum der mittelalterlichen Alchemie, ist auf chemischem Weg unmöglich; seit der Kernphysik des 20. Jahrhunderts ist jedoch bekannt, dass schwere Elemente durch radioaktiven Zerfall oder Teilchenkollisionen zu anderen Elementen werden können
• Gold wurde bereits früher künstlich erzeugt, doch diese Messung untersucht den Mechanismus bei Nahbegegnungen von Bleikernen am LHC

Nahbegegnungen sind häufiger als frontale Kollisionen

• Hochenergetische frontale Blei-Blei-Kollisionen am LHC können ein Quark-Gluon-Plasma erzeugen, einen heißen und dichten Materiezustand, der nach heutigem Verständnis das Universum etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall erfüllte
• Bei den häufigeren Wechselwirkungen „berühren“ sich die beiden Kerne nicht, sondern streifen aneinander vorbei; die starken elektromagnetischen Felder in ihrer Umgebung lösen Photon-Photon- und Photon-Kern-Wechselwirkungen aus
• Bleikerne enthalten 82 Protonen, wodurch ihr elektromagnetisches Feld besonders stark ist
• Die Bleikerne im LHC bewegen sich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von 99,999993 % der Lichtgeschwindigkeit
  • Durch diese Geschwindigkeit werden die Feldlinien des elektromagnetischen Felds in Bewegungsrichtung zu einer dünnen, pfannkuchenförmigen Struktur zusammengedrückt
  • Dadurch entstehen kurzlebige Photonenpulse

So entstehen Goldkerne

• Wenn ein Photon mit einem Kern wechselwirkt, kann es Schwingungen der inneren Kernstruktur anregen; dieser Prozess wird elektromagnetische Dissoziation genannt
• Elektromagnetische Dissoziation kann zur Emission einiger Neutronen und Protonen führen
• Damit aus einem Bleikern im LHC-Strahl Gold entsteht, müssen von den 82 Protonen 3 entfernt werden
  • Bleikern: 82 Protonen
  • Goldkern: 79 Protonen
• Das Schema zeigt eine ultraperiphere Kollision, bei der zwei 208Pb-Bleiionenstrahlen ohne Zusammenstoß dicht aneinander vorbeiziehen und durch eine Photon-Kern-Wechselwirkung 2 Neutronen und 3 Protonen emittiert werden, sodass ein 203Au-Goldkern zurückbleibt

Vom ALICE-ZDC unterschiedene Elemententstehung

• Das ALICE-Team nutzte die Zero Degree Calorimeters (ZDC) des Detektors, um die Zahl der nach einer Photon-Kern-Wechselwirkung emittierten Protonen zu zählen
  • 0 Protonen und mindestens 1 Neutron emittiert: mit der Entstehung von Blei verbunden
  • 1 Proton und mindestens 1 Neutron emittiert: mit der Entstehung von Thallium verbunden
  • 2 Protonen und mindestens 1 Neutron emittiert: mit der Entstehung von Quecksilber verbunden
  • 3 Protonen und mindestens 1 Neutron emittiert: mit der Entstehung von Gold verbunden
• Die Goldentstehung tritt seltener auf als die von Thallium oder Quecksilber
• Der LHC erzeugt derzeit bei Blei-Blei-Kollisionen am ALICE-Kollisionspunkt Gold mit einer Rate von bis zu etwa 89.000 Kernen pro Sekunde
• Die erzeugten Goldkerne verlassen den Kollisionspunkt mit sehr hoher Energie und treffen an verschiedenen nachgelagerten Punkten auf das LHC-Strahlrohr oder Kollimatoren
• Dort zerfallen die Goldkerne sofort in einzelne Protonen, Neutronen und andere Teilchen und existieren daher nur für eine extrem kurze Zeit

Die erzeugte Menge ist winzig, aber wichtig zum Verständnis von Strahlverlusten

• Laut der ALICE-Analyse wurden während LHC Run 2 in den Jahren 2015–2018 in den vier großen Experimenten rund 86 Milliarden Goldkerne erzeugt
• Das entspricht einer Masse von 29 Pikogramm, also 2,9 × 10^-11 g
• Da die Luminosität des LHC durch regelmäßige Upgrades weiter steigt, wird in Run 3 fast doppelt so viel Gold erzeugt wie in Run 2
• Die Gesamtmenge liegt jedoch weiterhin Billionenfach unter der Menge, die für die Herstellung auch nur eines Schmuckstücks nötig wäre
• Dank der Fähigkeiten des ALICE-ZDC ist diese Analyse der erste Fall, in dem ein Signal der Goldentstehung am LHC experimentell systematisch nachgewiesen und analysiert wurde
• Die Ergebnisse werden genutzt, um theoretische Modelle der elektromagnetischen Dissoziation zu testen und zu verbessern
  • Diese Modelle werden verwendet, um Strahlverluste zu verstehen und vorherzusagen, einen der wichtigsten Faktoren, die die Leistung des LHC und künftiger Beschleuniger begrenzen

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Hacker-News-Kommentare

• Der relevante Teil ist dieser: „Laut der ALICE-Analyse wurden während LHC Run 2 (2015–2018) in den vier großen Experimenten etwa 86 Milliarden Gold-Atomkerne erzeugt. Nach Masse entspricht das 29 Pikogramm (2,9 ×10-11 g).“
  Für 1 Unze müsste man das nur um Billionenordnungen hochskalieren, aber Blei in Gold zu verwandeln — der Traum zahlloser Alchemisten — ist nun ein Nebenprodukt eines Teilchenbeschleunigers

  • Ich habe nachgerechnet: Der Goldpreis müsste bei ungefähr 48 Billionen×1 Billion Dollar pro Unze liegen, damit der LHC den Break-even erreicht
  • Diese Größenordnung ist wirklich absurd. 86 Milliarden Atomkerne sind gerade einmal 29 Pikogramm, und 1 Gramm sind 10^12 Pikogramm
    In 1 Gramm Gold stecken 1.000 billion billion Gold-Atomkerne
  • Dass die Umwandlung von Blei in Gold ein Nebenprodukt eines Teilchenbeschleunigers geworden ist — das ist der ultimative Stein der Weisen
  • Jemand sollte schnell nVidia kontaktieren. Sie integrieren bereits Beschleuniger in GPUs und haben auch eine bessere Skalierbarkeit als das Mooresche Gesetz
  • Wenn man bedenkt, dass das gar nicht das Nebenprodukt war, nach dem man gesucht hat, könnten die Zahlen deutlich steigen, wenn man es zum Hauptziel macht

• Ich habe meine Doktorarbeit am Brookhaven National Lab gemacht; dort steht RHIC, der Vorläufer des Schwerionenprogramms am LHC
  Damals erzählte ein leitender Wissenschaftler von einem Gespräch während eines Reviews des laufenden Programms. RHIC ließ zu dieser Zeit im Schwerionenprogramm Gold kollidieren, und ein Reviewer fragte, ob man nicht Kosten sparen könne, indem man auf ein billigeres Element wie Blei umsteige. Niemand bei RHIC wusste, was er darauf antworten sollte. An die genaue Zahl erinnere ich mich nicht, aber über die gesamte Programmlaufzeit hinweg verbrauchte RHIC ungefähr weniger als 1 Milligramm Gold

  • Ich habe früher einmal in einem Labor gearbeitet, das eine Anlage zur Atomlagenabscheidung von Gold hatte. Pro einzelner Atomlage Gold wurde ein kleiner Betrag berechnet, vermutlich ein paar Cent oder ein paar Dollar
    Es gab eine glockenförmige Kammer, in die man den Wafer einlegte, und unabhängig von der Wafergröße wurde das gesamte Innere der Kammer gleichmäßig mit Gold beschichtet. Der Techniker, der die Anlage betrieb, legte seinen Ring zusammen mit den Proben in die Kammer, und über die Jahre lagerten sich Schichten ab, sodass er ihn nach und nach „in Gold verwandelte“
  • Wenn sie auf Blei umgestiegen wären, hätten sie bis heute vielleicht ein paar Milligramm Gold erzeugt

• Das erzeugte Gold ist Gold-203, radioaktiv und zerfällt innerhalb einer Minute zu Quecksilber-203. Quecksilber-203 ist ebenfalls radioaktiv. Das Gold, das wir kennen, ist Gold-197
  Es ist auch keineswegs der erste Fall, in dem Blei in Gold verwandelt wurde. Die Umwandlung von Blei in Gold-197 gelang bereits 1980. In all diesen Fällen sind die erzeugten Mengen so winzig, dass ihr Wert als Edelmetall praktisch null ist

  • Quecksilber-203 klingt nach einer furchtbaren Kombination. Quecksilber ist schon für sich genommen giftig genug; radioaktiv muss es nicht auch noch sein

• Aus Spaß habe ich ausgerechnet, wie lange LHC und ALICE bräuchten, um genug Gold herzustellen, damit sich die FCC-Kosten selbst finanzieren. Angenommen wurden 15 Milliarden CHF beim aktuellen Goldpreis in CHF, unter perfekten Bedingungen und unter Ignorieren aller Grenzen
  Ergebnis: Bei Dauerbetrieb wären es etwa 185 Milliarden Jahre. Zum Vergleich: Das Universum ist ungefähr 14 Milliarden Jahre alt. Die Hubble-Spannung ignoriere ich hier

  • Da die Kosten für die Herstellung von Gold höher wären als der Wert des gewonnenen Goldes, müsste man faktisch von unendlicher Zeit ausgehen
  • Man muss sich keine Sorgen machen, dass der LHC das Goldangebot verwässert. Das wird das Asteroiden-Mining übernehmen
  • Dabei wird angenommen, dass man Gold weiterhin auf dieselbe Weise herstellt. Der Prozess dürfte sich wahrscheinlich verbessern lassen. Was passiert, wenn man eine Wachstumsrate einbezieht?

• Dieser Gedanke kommt mir jedes Mal, wenn ich Diskussionen über technologischen Fortschritt höre. Oft wird behauptet, dass auch Anfang des 20. Jahrhunderts viele Menschen glaubten, man nähere sich dem Gipfel der Technik; und wenn heute dieselbe Behauptung aufkommt, wird diese Geschichte wieder hervorgeholt.
  Ich glaube nicht, dass wir schon dort angekommen sind, aber die Grenzen, denen wir uns nähern, fühlen sich weniger wie Grenzen des Wissens an als vielmehr wie Grenzen von Ressourcen und Engineering. Alchemie gibt es buchstäblich, aber wir haben nicht die Fähigkeit, nennenswerte Mengen Gold herzustellen. Nicht, weil wir nicht wüssten, wie, sondern weil es nicht praktikabel ist. Wie viel können Materialwissenschaft, Chemie und vielleicht Physik in Bezug auf praktische Technologien noch liefern? Sicherlich viel, aber ich glaube nicht, dass das Tempo des technischen Fortschritts in diesen Feldern weiter anhalten wird. Natürlich gibt es trotzdem enorm viel zu lernen, auch wenn es sich nicht unmittelbar technisch anwenden lässt.
  Wo meiner Meinung nach wirklich noch sehr viel anwendbares und praktisches Wissen übrig ist, sind Biochemie und Biologie. Wir haben noch nicht einmal an der Oberfläche gekratzt. Vielleicht finden wir nie einen Weg, schneller als das Licht zu reisen, aber wenn wir den Körper so anpassen können, dass er Hunderte oder Tausende Jahre in einem Ruhezustand verharrt, wäre das vielleicht kein großes Problem. Dass Biologie leicht manipulierbar wird, fühlt sich für mich deutlich gefährlicher an als nukleare Proliferation. Jedenfalls bin ich kein Experte auf diesen Gebieten.

  • Da widerspreche ich entschieden. Materialwissenschaft und Chemie haben bisher ebenfalls nur an der Oberfläche gekratzt und befassen sich größtenteils mit den Bulk-Eigenschaften vergleichsweise einfacher Stoffe.
    Der Designraum für noch unerforschte Metamaterialien und molekulare Maschinen ist enorm groß.
  • Materialwissenschaft ist noch immer zu einem erheblichen Teil eher eine Art Handwerk aus fundierten Vermutungen, Mischungen und endlosem Testen winziger Änderungen an Zusammensetzung und Prozess.
    Das liegt daran, dass man trotz guter theoretischer Rahmen, mathematischer Methoden und Rechenleistung unterhalb der Ångström-Skala nur bis zu einem gewissen Grad weiterkommt und oberhalb der Millimeterskala zwar Maschinenbauwerkzeuge wie FEM hat, die Nano- bis Mikroskala, auf der die meisten realen Materialeigenschaften entstehen, aber praktisch nicht berechenbar ist. Auch First-Principles-Berechnungen von Materialeigenschaften jenseits leichter Systeme mit ein paar Atomen halte ich noch immer für schwierig. Da ich nicht zu den Menschen gehöre, die mit höherer Mathematik und Analysis sowie starker Intuition solche Probleme lösen können, hat mich die Art der Graduiertenforschung in diesem Feld persönlich nicht gereizt. Trotzdem haben Halbleiter-Fabs und Katalyse-Labore mit systematischen, iterativen Großexperimenten große Fortschritte erzielt.
    Wenn die Berechenbarkeit auf der Nano- bis Mikroskala gelöst wird, wird das einen gewaltigen Wandel auslösen, vergleichbar mit der industriellen Revolution und der Informationstechnik-Revolution. Ich denke, dass auch die Biologie-Revolution für Protein-Engineering im Grunde eine ähnliche Berechenbarkeit braucht, auch wenn es offenbar Umwege über Bakterien gibt. In den letzten Jahren habe ich gelegentlich Papers gesehen, die Fortschritte bei Mathematik und Berechenbarkeit auf der Nano- bis Mikroskala andeuten, und deshalb bin ich ziemlich zuversichtlich, dass es technisch große Fortschritte geben wird.
  • Pah, die Singularität ist ungefähr für nächsten Dienstag angesetzt, und wir haben noch nicht einmal eine Dyson-Sphäre gebaut.
  • Wie weit wir unser vorhandenes Wissen und unsere technischen Fähigkeiten in reale Anwendungen treiben können, ist eine interessante Frage. Denn egal wie weit die Frontlinie des Verständnisses voranschreitet, die Frontlinie der Anwendbarkeit muss ihr folgen.
    Es lohnt sich zu überlegen, ob es ein Prinzip gibt, das die Beziehung zwischen beiden beschreibt. Dass es sich eine Zeit lang so anfühlte, als seien wir gegen eine Wand gelaufen, lag an der offensichtlichen Krise der Demokratie, den Grenzen der Rechenleistung von Computern, der Enshittification von Diensten von innen heraus, der Realität, dass wir Dinge wie Hochgeschwindigkeitszüge nicht auf die Reihe bekommen, den langsamen Fortschritten bei selbstfahrenden Autos und der Erkenntnis, dass bestehende Gebäude in Städten lange bestehen bleiben und sich nicht über Nacht cyberpunkmäßig verwandeln.
    Aber wenn unsere Zeit nicht wegen Bedrohungen der Demokratie, Pandemie und Krieg in Erinnerung bliebe, hätten wir vielleicht den Freiraum, sie als eine Ära wirklich wichtiger Fortschritte an der wissenschaftlichen Front zu erinnern. CRISPR und AI allein reichen schon als Leistungen, die eine Ära prägen. Um also zum ursprünglichen Punkt zurückzukehren: Die bisherigen Fortschritte sind noch kein Beleg dafür, dass unsere Fähigkeit, die Wissensfront in Anwendbarkeit zu überführen, bald langsamer wird. Ich verstehe den Gedanken, bin aber etwas optimistischer.

• Ich frage mich, ob der wahre Grund, warum Physiker davon besessen waren, unedle Metalle in Gold zu verwandeln, vielleicht der LHC war.
  Newton verbrachte rund 30 Jahre seines Lebens mit Alchemie, und seine anderen Leistungen waren eigentlich eher Nebenprojekte.

  • Wenn man sich Sorgen macht, dass die Forschungsgelder versiegen, könnte Blei in Gold zu verwandeln auch ein Umweg sein.
  • Es ist schon eine interessante Sache. Dass es möglich ist, weiß man seit Langem; es war nur absurd teuer.
  • Ars Magna existiert also offenbar immer noch. Wenn die Alchemisten nur den Schock überwunden hätten, ihre religiösen Theorien über die Natur massiv überarbeiten zu müssen, hätten sie das Zeitalter der modernen Chemie wohl wirklich spannend gefunden.
  • https://www.laphamsquarterly.org/magic-shows/miscellany/alch...
  • Bestimmt haben die Anunnaki bei ihrem riesigen atmosphärischen Goldprojekt alles auf eine letzte Karte gesetzt.

• Ich frage mich, warum Blei und Gold historisch so eng miteinander verbunden waren. Warum konzentrierten sich Alchemisten darauf, Blei in Gold zu verwandeln? Warum begannen sie nicht mit Eisen oder einem Stein wie Quarz? Lag es einfach daran, dass beides schwere, weiche Metalle sind?

  • Die damals vorherrschende Theorie war, dass Metalle in der Erde wachsen, bei Nichtmetallen beginnen und sich mit der Zeit oder unter bestimmten Bedingungen zu höheren Metallen verwandeln, bis sie schließlich Gold erreichen. Weil Gold nicht rostet, sah man es als Endpunkt an.
    Gemessen an den damaligen Informationen war das keine besonders schlechte Theorie. Schließlich kommen alle Metalle letztlich aus der Erde. Die Idee, Blei in Gold zu verwandeln, war kein magisches Denken, sondern der Versuch, natürliche Bedingungen im Labor nachzubilden und zu beschleunigen. Das ähnelt dem, was wir heute auf hunderte verschiedene Arten tun. Wäre jemandem der Erfolg gelungen, wäre das wie das Doppelspaltexperiment jener Zeit gewesen: ein vollständiger Beweis dafür, dass die alchemistische Theorie stimmte.
  • Wahrscheinlich vor allem deshalb, weil Blei für Falschmünzen verwendet wurde. Dabei wurde eine dünne Goldschicht auf Blei aufgebracht.
    Man kennt die Szenen aus Mittelalterfilmen, in denen jemand auf eine Münze beißt; damit wollte man prüfen, ob sie aus Gold oder Blei war. Blei war also die Verkörperung der Fälschung, und man hätte gewissermaßen das Falsche in das Echte verwandelt.
  • Im Artikel steht es auch so:
    „Diese alte Suche, bekannt als chrysopoeia, könnte durch die Beobachtung motiviert gewesen sein, dass das matte graue und relativ reichlich vorhandene Blei eine ähnliche Dichte wie Gold besitzt, das wegen seiner schönen Farbe und Seltenheit seit Langem begehrt ist.“
  • Wenn man jemandem vergoldetes Blei als echtes Gold andrehen will, ist das leichter, als Pyrit zu verkaufen. Der deutlich höhere Schmelzpunkt von Gold ist allerdings ein verräterisches Indiz.
    Ich denke, was die Alchemie verändern wollte, waren weniger atomare Eigenschaften als vielmehr die Übertragung bestimmter Eigenschaften von Gold, etwa Schmelzpunkt und Farbe, auf Blei, um im Labor billigeres Gold herzustellen.
  • Vielleicht lag es daran, dass das Gewicht „nah genug dran“ war. Zumindest näher als Eisen, sodass man sie für eng verwandt hielt. Also dachte man, mit ein wenig Nacharbeit könne man es glänzend und schön machen und ungefähr 40 % schwerer.
    Versuche, Silber in Gold zu verwandeln, gab es sicher auch. Silber liegt beim Gewicht näher, also hätte man die notwendige Veränderung für kleiner gehalten.

• Alles, was Alchemisten brauchten, war ein großer Teilchenbeschleuniger. Sie waren ihrer Zeit einfach zu weit voraus.

  • Man braucht nur einen größeren Transmutationskreis, wirklich. Nur noch ein Transmutationskreis, dann kann man organisches Material in Gold verwandeln. Man muss ihn nur noch einmal um die ganze Stadt herum zeichnen.
  • Wer hätte gedacht, dass der Stein der Weisen ringförmig sein und tief unter der Erde vergraben liegen muss?

• Aus L. Ron Hubbards SF-Reihe Mission Earth ist mir seit Jahren eine Szene im Gedächtnis geblieben. Die Hauptfigur, eigentlich eher eine Art Bösewicht, bereitet sich auf eine Infiltrationsmission auf der Erde vor, geht in eine Gegend seiner Stadt voller Fusionskraftwerke und bestellt eine Menge Gold zum Mitnehmen.
  Am Ende ist es so viel Gold, dass es die Wirtschaft der Erde zum Einsturz bringen könnte. Hängen geblieben ist bei mir aber die Idee, Elemente auf Bestellung zu produzieren.

  • Es waren 500 Tonnen, die in Dollar der 80er ungefähr 500 Millionen Dollar wert waren. Eine ziemlich große Summe, aber nicht genug, um die Erde ins Wanken zu bringen. Und er verlor das alles.

• Das ist nicht einfach ein direktes Beschießen eines Targets in einem Teilchenbeschleuniger, sondern eine neue Methode, bei der Blei durch nahe Vorbeiflug-Kollisionen am CERN in Gold verwandelt wird. Die erzeugte Menge ist submikroskopisch und radioaktiv.