Seit Jahrhunderten faszinieren die Menschen die Träume der Alchemie, insbesondere die Vorstellung, Blei in Gold zu verwandeln. Diese Idee erfüllte das Mittelalter und die Renaissance mit Hoffnung und Mystik, wurde jedoch mit dem Fortschritt der Wissenschaft schnell als unmöglich entlarvt. Chemisch betrachtet handelt es sich bei Blei und Gold um völlig verschiedene Elemente, die sich nicht durch gewöhnliche chemische Reaktionen ineinander umwandeln lassen. Die moderne Physik weiß jedoch, dass der Unterschied zwischen den beiden Elementen auf der subatomaren Ebene liegt – genauer gesagt in der Anzahl der Protonen im Atomkern. Ein Bleiatom besitzt drei mehr Protonen als ein Goldatom.
Daraus ergibt sich die theoretische Möglichkeit, Blei in Gold umzuwandeln, wenn man genau diese drei Protonen entfernt. Doch dies erfordert außergewöhnliche Bedingungen, welche nur in hochmodernen Forschungseinrichtungen erreicht werden können. Die Physiker am Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz sind mit ihrem ALICE-Experiment diesen Herausforderungen begegnet und machten dabei eine überraschende Entdeckung: Sie produzierten winzige Mengen Gold durch die Beschleunigung und Kollision von Bleiatomen bei nahezu Lichtgeschwindigkeit. Das Prinzip der Kerntransmutation am LHC basiert auf der Erkenntnis, dass Protonen im Atomkern eine positive elektrische Ladung besitzen. Um vom Bleikern Protonen zu lösen, ist eine gewaltige Kraft notwendig, da die Protonen durch die sogenannte starke Kernkraft extrem fest zusammengehalten werden.
Diese Bindung ist einer der stärksten bekannten Kräfte der Natur und wirkt auf sehr kleinstem räumlichen Niveau. Um Protonen dennoch aus dem Atomkern herauszubrechen, benötigen Wissenschaftler elektrische Felder von einer Stärke, die millionenfach über jenen von Blitzen in unserer Atmosphäre liegen. Eine solche Kraft wird am LHC durch das Beschleunigen und gezielte Zusammenbringen von Bleikernen erzeugt. Dabei prallen sie jedoch nicht immer frontal aufeinander. Häufig kommt es zu sogenannten „Nahevorbeiflügen“, bei denen sich die Kerne nur geringfügig berühren und stark ausgeprägte elektromagnetische Felder induzieren.
Diese Felder versetzen die Kerne in Schwingung, sodass gelegentlich Protonen herausgeschleudert werden. Der Prozess funktioniert folgendermaßen: Wenn zwei Bleikerne bei annähernder Lichtgeschwindigkeit aneinander vorbeiziehen, erzeugt die elektromagnetische Wechselwirkung kurzzeitig extrem starke Kräfte. Die starken elektrischen Felder überwinden kurzzeitig die Bindungskraft der Kerne und reißen einzelne Protonen heraus. Wenn genau drei Protonen aus einem Bleikern entfernt werden, entsteht ein Kern mit der Protonenzahl, die ein Goldatom ausmacht. Diese Art von Kernalchemie ist jedoch kein gezieltes Verfahren zur Goldproduktion; vielmehr handelt es sich um ein zufälliges Nebenprodukt der Teilchenkollisionen am LHC, verursacht durch das ALICE-Detektorsystem zur Erforschung der Quark-Gluon-Plasma-Zustände.
Die Menge an produziertem Gold ist verschwindend gering und liegt im Bereich von Bruchteilen eines Billionstels Gramms. Dennoch ist der Nachweis dieses Prozesses bahnbrechend. Er liefert nicht nur den ersten experimentellen Beweis, dass es möglich ist, durch hochenergetische Kernprozesse Blei in Gold zu verwandeln, sondern auch wichtige Einblicke in die Wechselwirkungen der Kernbestandteile. Die im LHC eingesetzten Detektoren, wie die sogenannten Null-Grad-Kalorimeter, sind darauf spezialisiert, die genaue Anzahl der bei Kollisionen freigesetzten Protonen zu messen. Damit lässt sich indirekt auf die Bildung neuer Atome schließen, ohne diese selbst zu beobachten.
Neben Gold entstanden bei den Experimenten auch Kerne anderer Elemente, die durch den Verlust eines oder zweier Protonen aus Blei hervorgehen, wie Thallium und Quecksilber. Diese vielfältigen Veränderungen unterstreichen die Komplexität und Zufälligkeit der Kerntransmutationen bei hochenergetischen Kollisionen. Ein interessanter Aspekt dieses Phänomens ist, dass die entstehenden Goldatome nicht stabil innerhalb des LHC-Zirkels verbleiben. Die veränderte Anzahl an Protonen bewirkt, dass die Atomkerne nicht länger auf ihren gewohnt stabilen Bahnen zirkulieren. Dadurch kollidieren sie bereits nach wenigen Mikrosekunden mit den Wänden der Vakuumröhre und werden zerstört.
Dieses Phänomen heißt auch für die Beschleunigertechniker eine Herausforderung, da sich die Intensität der Bleikerne im Lauf der Zeit aufgrund der Protonenverluste vermindert. Obwohl die Alchemisten der Vergangenheit von der Möglichkeit träumten, Gold durch chemische Mittel herzustellen, führte erst die hochmoderne Teilchenphysik diese Vision auf der fundamentalsten Ebene tatsächlich zu einem Ergebnis. Die Experimente des LHC zeigen, dass die Umwandlung von Elementen durch Kernreaktionen realisierbar ist, auch wenn dies unter extremen energetischen Bedingungen und nur in kleinsten Mengen geschieht. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Materie dar und bietet wertvolle Erkenntnisse über die Natur der Kernkräfte und die Stabilität von Atomkernen. Die Kernalchemie am Large Hadron Collider ist zugleich ein Weckruf dafür, wie winzige Veränderungen auf atomarer Ebene enorme Auswirkungen haben können.
Sie zeigt, dass das Universum durch komplexe Wechselwirkungen im kleinsten Maßstab ständig im Wandel ist – eine Tatsache, die vielleicht philosophisch betrachtet die Träume der Alchemie in einen neuen, wissenschaftlichen Kontext stellt. Parallel zur Grundlage neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse wirft diese Entwicklung auch Fragen zur Zukunft der Kernphysik auf, insbesondere hinsichtlich der Weiterentwicklung von Teilchenbeschleunigern und deren Nutzung zur Erforschung der Entstehung des Universums. Die praktische Anwendung der Blei-zu-Gold-Transmutation im industriellen Maßstab ist gegenwärtig noch völlig undenkbar. Die Energie- und Apparatekosten sowie die geringe Produktionsmenge machen das Verfahren unwirtschaftlich. Vielmehr ist der wahre Wert dieser Forschung im Fortschritt der Grundlagenforschung zu sehen.
Die Erkenntnisse aus den LHC-Experimenten helfen, Modelle der Kernkraft und der Elemententstehung zu verfeinern und geben Physikern Werkzeuge an die Hand, um komplexe Prozesse nachzuvollziehen, die im frühen Universum, bei Supernova-Explosionen oder in extremen astrophysikalischen Situationen stattgefunden haben. Die Entdeckung, dass durch die Beschleunigung von Bleikernen in einem heutigen Teilchenbeschleuniger tatsächlich Gold entsteht, beschreibt damit eine moderne Form der Alchemie – aber auf Grundlage fundamentaler physikalischer Prinzipien und nicht durch Zauberei oder Mythos. Dieses Ereignis verbindet die Geschichte der Menschheit mit dem Streben nach Wissen von den antiken Zeiten bis heute. Die Zerlegung und Zusammenfügung von Atomkernen zeigt, wie weit Wissenschaft gekommen ist, und eröffnet eine faszinierende Perspektive auf die Manipulation der Materie auf atomarer Ebene. Zukünftige Forschungsprojekte am LHC und anderen Einrichtungen werden weitere Geheimnisse der Kernstruktur erforschen und möglicherweise noch unerwartete Phänomene zutage fördern.
Bis dahin bleibt die Verwandlung von Blei in Gold durch Kernalchemie ein beeindruckendes Beispiel für die Kraft moderner Wissenschaft, alte Mythen in wissenschaftliche Realität zu verwandeln und so die Möglichkeiten menschlicher Erkenntnis immer weiter zu erweitern.
