在大型强子对撞机上，堪萨斯大学的科学家实现了一种短暂的现代“炼金术”——在短短几分之一秒内将铅转化为金。利用超周边碰撞（即离子间几乎擦肩而过，但通过强烈的光子交换发生相互作用），他们成功将质子从原子核中撞出，从而产生了新的短寿命元素。这一突破不仅引起了全球关注，还有助于设计未来更安全、更先进的粒子加速器。
至少持续了极短的一瞬间。科学家们在《物理评论》上报告了他们的结果。
这一成就是在大型强子对撞机（埋设在法瑞边境地下长达17英里的粒子加速器）内一个名为ALICE的精密且灵敏的探测器中实现的，该科学仪器的大小约相当于一栋大型豪宅。
正是参与ALICE实验的堪萨斯大学的科学家们开发了一种技术，追踪质子和离子之间的“超周边”碰撞，从而在LHC中制造出了黄金。
“通常在对撞机实验中，我们让粒子相互撞击以产生大量碎片，”堪萨斯大学物理学教授兼ALICE实验堪萨斯大学团队负责人丹尼尔·塔皮亚·塔卡基说道。“但在超周边碰撞中，我们感兴趣的是粒子没有相互撞击时发生的情况。这些属于‘擦肩而过’。离子之间的距离近到足以发生相互作用——但没有接触。不存在物理上的重叠。”
在LHC隧道中飞驰的离子是拥有许多质子的重核，每一个都会产生强大的电场。当被加速时，这些带电离子会发射光子——即发光。
“当你将电荷加速到接近光速时，它就会开始发光，”塔皮亚·塔卡基说。“一个离子发出的光本质上可以给另一个离子拍照。当这种光的能量足够高时，它可以深入探测另一个原子核内部，就像一个高能闪光灯。”
这位堪萨斯大学的研究人员表示，在这些UPC“闪光”期间，可能会发生令人惊讶的相互作用，包括引发全球关注的稀有事件。
“有时，来自两个离子的光子会相互作用——我们称之为光子-光子碰撞，”他说。“这些事件非常干净，几乎没有产生其他任何东西。这与典型的碰撞形成鲜明对比，后者中我们看到粒子四处飞溅。”
然而，ALICE探测器和LHC的设计初衷是收集导致杂乱粒子喷射的迎头碰撞数据。
“这些干净的相互作用很难用早期的装置探测到，”塔皮亚·塔卡基说。“我们堪萨斯大学的团队开创了研究它们的新技术。我们在多年前就建立了这方面的专业知识，当时这还是一个冷门的课题。”
这些方法促成了这一新闻级的发现：LHC团队通过超周边碰撞瞬间将铅转化为黄金，在这种碰撞中，铅离子失去了三个质子（将铅微粒变成了金微粒），持续时间仅为几分之一秒。
塔皮亚·塔卡基在堪萨斯大学论文的共同作者包括研究生安娜·比诺伊；研究生阿姆里特·高塔姆；博士后研究员托马索·伊西多里；博士后研究助理阿尼萨·哈通；以及研究科学家尼古拉·米纳弗拉。
参与LHC ALICE实验的堪萨斯大学团队计划继续研究超周边碰撞。塔皮亚·塔卡基表示，虽然制造黄金引起了公众的兴趣，但理解这些相互作用的潜力更为深远。
“这种光的能量非常高，可以将质子从原子核中击出，”他说。“有时是一个，有时是两个、三个甚至四个质子。我们可以用我们的探测器直接观察到这些被击出的质子。”
每移除一个质子都会改变元素：移除一个变成铊，两个变成汞，三个变成金。
“这些新原子核的寿命非常短，”他说。“它们衰变得很快，但并不总是立即衰变。有时它们会沿着束流线运动并撞击对撞机的部件——从而触发安全系统。”
这就是为什么这项研究的重要性超出了新闻头条的范畴。
“鉴于未来对撞机的提议甚至比LHC还要大——在欧洲和中国的一些计划长达100公里——你需要了解这些核副产物，”塔皮亚·塔卡基说。“这种‘炼金术’对于设计下一代机器可能至关重要。”
这项工作得到了美国能源部科学办公室核物理办公室的支持。