Transformer le plomb en or : voilà un rêve d’alchimiste devenu réalité… ou presque. Grâce à l’expérience ALICE du Grand collisionneur de hadrons (LHC), des scientifiques ont observé un phénomène rare et fascinant : la transmutation de noyaux de plomb en atomes d’or. Il ne s’agit pas d’un tour de magie, mais bien d’un processus physique parfaitement réel, observé dans les entrailles du plus grand accélérateur de particules au monde.

Une plongée dans les premiers instants de l’Univers

L’expérience ALICE (A Large Ion Collider Experiment), l’un des détecteurs majeurs du LHC, a été conçue pour explorer un état de la matière appelé plasma quark-gluon, celui qui existait juste après le Big Bang. Pour ce faire, elle fait entrer en collision des ions lourds – notamment du plomb – à des vitesses proches de celle de la lumière, afin de reproduire les conditions extrêmes de l’Univers primordial.

Mais en plus d’explorer cette matière exotique, les collisions peuvent provoquer d’autres effets inattendus, comme des réactions nucléaires rares. Et parmi elles : la transformation d’un élément en un autre.

Une transmutation nucléaire, pas de l’alchimie

Le plomb contient 82 protons dans son noyau. L’or en possède 79. Il suffit donc — en théorie — de retirer trois protons d’un noyau de plomb pour obtenir un atome d’or. Ce processus s’appelle une transmutation nucléaire, et c’est précisément ce que les chercheurs de l’expérience ALICE ont pu observer.

Comment ? En étudiant non pas les collisions directes entre noyaux de plomb, mais les interactions électromagnétiques induites par les champs puissants générés dans le LHC. Lorsque deux noyaux passent très près l’un de l’autre sans se percuter, leurs champs électromagnétiques peuvent émettre des photons si intenses qu’ils interagissent avec les noyaux eux-mêmes. Ces « flashs de lumière » extrêmes peuvent alors éjecter un, deux, voire trois protons, transformant le plomb en d’autres éléments plus légers : thallium, mercure, et parfois… or.

Un processus rare mais mesurable

Grâce aux calorimètres à zéro degré (ZDC) du détecteur ALICE, les chercheurs ont pu observer ces interactions avec une précision inédite. Ils ont ainsi pu mesurer différentes signatures de dissociation du plomb : certaines interactions ne produisent aucune perte de protons, d’autres en éjectent un ou deux, parfois trois — donnant alors naissance à de l’or.

Ce phénomène reste rare : sur les 174 milliards d’atomes de plomb circulant dans le faisceau, environ 89 000 noyaux d’or sont produits chaque seconde. Une goutte d’eau dans un océan atomique, certes, mais une observation qui a une immense valeur scientifique.

« C’est impressionnant de voir que nos détecteurs peuvent enregistrer à la fois les collisions les plus énergétiques, avec des milliers de particules créées, et les événements les plus discrets, où quelques protons suffisent à transformer la nature du noyau », souligne Marco Van Leeuwen, porte-parole d’ALICE.

Le glorieux détecteur ALICE, faisant ce que Newton, Flamel et Paracelse n’ont pas pu faire ! Crédits : CERN

Pas de ruée vers l’or au CERN

Inutile d’espérer extraire ces atomes d’or : non seulement leur quantité est infinitésimale, mais ils finissent projetés à grande vitesse contre les parois de l’accélérateur, où ils se fragmentent aussitôt. La valeur de cette découverte n’est donc pas économique, mais bien fondamentale.

Elle permet notamment d’améliorer les modèles théoriques de dissociation électromagnétique, essentiels pour prédire les pertes de faisceau — un paramètre crucial pour optimiser les performances du LHC et des futurs collisionneurs.

Comme le résume Uliana Dmitrieva, membre de la collaboration ALICE : « Cette analyse marque la première détection expérimentale systématique de la production d’or au LHC. C’est une avancée majeure. »

Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Physical Review C.