Au Cern, la collaboration Alice, qui opère l’un des quatre grands détecteurs du LHC (l’accélérateur de particules le plus puissant au monde), a expérimenté un phénomène qui aurait fait rêver les alchimistes du Moyen Âge : la transformation de plomb en or. Une transmutation qui n’est pas le fruit d’une quelconque formule magique mais celui de processus physiques bien réels, observés lors de collisions d’ions de plomb à très haute énergie, dans le plus grand accélérateur de particules du monde.

Lorsque deux noyaux de plomb 208 – la forme la plus courante du plomb possédant 82 protons et 126 neutrons – se croisent à des vitesses proches de celle de la lumière sans pour autant entrer en collision frontale, ils génèrent des champs électromagnétiques extrêmement puissants par lesquels ils interagissent à distance. Ce phénomène, appelé « collision ultrapériphérique », provoque la dissociation électromagnétique des noyaux de plomb et une modification de leur structure atomique.

L’expérience menée au Cern a permis de comprendre comment cela se produisait. Lors des collisions ultrapériphériques, les noyaux de plomb peuvent éjecter des particules, notamment des protons. Or la perte d’une ou plusieurs de ces particules transforme précisément un élément chimique en un autre. Ainsi, lorsqu’un noyau de plomb (numéro atomique 82) perd exactement trois protons, il devient un noyau d’or (numéro atomique 79) !

Une mesure sophistiquée

Les chercheurs ont mesuré que cette transformation du plomb en or se produit avec une fréquence remarquablement élevée lors de ces collisions ultrapériphériques, presque aussi souvent que ne surviennent des collisions directes entre noyaux de plomb. Une découverte surprenante qui montre que cette transmutation n’a finalement rien de rare, ni d’exceptionnel, dans ces conditions extrêmes.

Pour parvenir à mesurer précisément ce phénomène, les chercheurs ont utilisé des instruments spéciaux appelés « calorimètres à zéro degré ». Ces détecteurs ultrasensibles sont installés à plus de 100 mètres du point où les faisceaux de particules se croisent, une position stratégique qui leur permet de capturer l’énergie emportée par les neutrons et les protons éjectés vers l’avant lors des collisions.À LIRE AUSSI Pourquoi le Cern veut un nouvel accélérateur de particules géant

L’analyse des données a révélé que les signaux des protons présentent des caractéristiques distinctes de ceux des neutrons. Les pics d’énergie correspondant aux protons sont nettement plus larges que ceux des neutrons. C’est cette différence cruciale qui a permis d’identifier avec précision les événements où des noyaux de plomb perdent spécifiquement trois protons pour se changer en or.

Des implications concrètes

Si les alchimistes cherchaient à transformer le plomb en or essentiellement pour s’enrichir, cette transmutation moderne présente un intérêt purement scientifique. Elle éclaire les processus électromagnétiques qui se produisent lors des collisions d’ions lourds et aide à comprendre les interactions entre particules à très haute énergie.

L’étude révèle qu’environ 29 picogrammes (1 picogramme = 10⁻¹² gramme) d’or ont été produits au LHC entre 2015 et 2018. Pour se représenter cette quantité infinitésimale, il faudrait faire fonctionner ce fameux accélérateur de particules pendant plus d’un milliard d’années pour produire un seul gramme d’or ! Les bijoutiers peuvent donc dormir tranquilles, mais la symbolique reste forte : le rêve des alchimistes médiévaux est finalement réalisé par la physique moderne, même si ce n’est qu’à l’échelle microscopique.

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Mais cette découverte va bien au-delà de la seule curiosité scientifique. Ces processus de transmutation ont des conséquences pratiques sur le fonctionnement même de l’accélérateur : chaque fois qu’un noyau de plomb se transforme en or ou en un autre élément, c’est une particule de moins dans le faisceau initial. Ce phénomène diminue progressivement l’intensité des faisceaux et réduit donc l’efficacité des collisions au fil du temps.

Ces mesures précises contribueront donc à mieux anticiper cette dégradation et à optimiser le fonctionnement du LHC et des futurs collisionneurs de particules, tout en approfondissant notre compréhension des interactions fondamentales de la matière.