LHC में सीसे के सोने में बदलने की घटना पहली बार detected

• CERN के ALICE collaboration ने LHC में सीसे के atomic nuclei के सोने के atomic nuclei में बदलने की प्रक्रिया को मात्रात्मक रूप से मापकर Physical Review Journals में प्रकाशित किया
• यह घटना आमने-सामने की टक्कर की तुलना में कहीं अधिक बार होने वाली near-miss collisions में होती है, जहां मजबूत electromagnetic fields photon–atomic nucleus interactions को प्रेरित करते हैं
• सीसे में 82 protons और सोने में 79 protons होते हैं, इसलिए LHC beam के सीसे के atomic nuclei से 3 protons अलग होने चाहिए ताकि वह सोना बन सके
• ALICE ने emitted protons की संख्या ZDC से गिनकर lead, thallium, mercury और gold के production में फर्क किया, और ALICE collision point पर gold nuclei अधिकतम लगभग 89,000 प्रति सेकंड की दर से बने
• 2015–2018 के Run 2 के दौरान चार मुख्य experiments में लगभग 86 अरब gold nuclei बने, लेकिन उनका mass सिर्फ 29 picograms था, और बना हुआ सोना beam pipe या collimator से टकराकर तुरंत टूट गया

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सीसे से सोने में nuclear transmutation का मापन

• ALICE collaboration ने CERN के Large Hadron Collider में सीसे के सोने में बदलने की घटना को quantify करने वाला मापन Physical Review Journals में प्रकाशित किया
• मध्ययुगीन alchemy का सपना रहा सीसे को सोने में बदलना रासायनिक तरीकों से संभव नहीं है, लेकिन 20वीं सदी की nuclear physics के बाद यह ज्ञात हुआ कि भारी elements radioactive decay या particle collisions से दूसरे elements में बदल सकते हैं
• सोना पहले भी artificial रूप से बनाया जा चुका है, लेकिन यह मापन LHC के सीसे के atomic nuclei की near-miss collisions में होने वाले mechanism पर केंद्रित है

आमने-सामने की टक्कर से अधिक बार होने वाली near-miss collisions

• LHC की high-energy lead–lead head-on collisions quark–gluon plasma बना सकती हैं, जो गर्म और dense matter की वह अवस्था है जिसके बारे में माना जाता है कि Big Bang के लगभग दस लाखवें हिस्से सेकंड बाद universe में मौजूद थी
• अधिक बार होने वाली interactions में दो atomic nuclei एक-दूसरे को “छुए” बिना पास से गुजरते हैं, और उनके आसपास के मजबूत electromagnetic fields photon–photon और photon–atomic nucleus interactions को प्रेरित करते हैं
• lead nucleus में 82 protons होते हैं, इसलिए उसका electromagnetic field विशेष रूप से मजबूत होता है
• LHC के अंदर lead nuclei प्रकाश की गति के 99.999993% के बराबर अत्यंत उच्च speed से चलते हैं
  • इस speed के कारण electromagnetic field lines गति की दिशा के लंबवत एक पतले pancake shape में compressed हो जाती हैं
  • परिणामस्वरूप थोड़े समय तक रहने वाला photon pulse बनता है

gold nuclei बनने की प्रक्रिया

• जब photon atomic nucleus के साथ interact करता है, तो वह nucleus की internal structure की vibrations को excite कर सकता है; इस प्रक्रिया को electromagnetic dissociation कहा जाता है
• electromagnetic dissociation कुछ neutrons और protons को emit करा सकता है
• LHC beam के lead nucleus से सोना बनाने के लिए 82 protons में से 3 को हटाया जाना चाहिए
  • lead nucleus: 82 protons
  • gold nucleus: 79 protons
• diagram दिखाता है कि 208Pb lead ion beams के दो ions टकराए बिना पास से गुजरते हैं, और photon–atomic nucleus interaction से 2 neutrons और 3 protons emitted होते हैं, जिससे 203Au gold nucleus बचता है; यह ultraperipheral collision है

ALICE ZDC ने element production में फर्क किया

• ALICE team ने detector के zero degree calorimeters(ZDC) का उपयोग करके photon–atomic nucleus interaction के बाद emitted protons की संख्या गिनी
  • 0 protons और कम से कम 1 neutron emitted: lead production से जुड़ा
  • 1 proton और कम से कम 1 neutron emitted: thallium production से जुड़ा
  • 2 protons और कम से कम 1 neutron emitted: mercury production से जुड़ा
  • 3 protons और कम से कम 1 neutron emitted: gold production से जुड़ा
• gold production, thallium या mercury production की तुलना में कम बार होता है
• वर्तमान में LHC, ALICE collision point पर lead–lead collisions में gold को अधिकतम लगभग 89,000 nuclei प्रति सेकंड की दर से बनाता है
• बने हुए gold nuclei बहुत उच्च energy के साथ collision point से निकलते हैं, और downstream के कई points पर LHC beam pipe या collimator से टकराते हैं
• gold nuclei वहीं single protons, neutrons और अन्य particles में तुरंत टूट जाते हैं और केवल बेहद कम समय तक मौजूद रहते हैं

production मात्रा बेहद छोटी है, लेकिन beam loss समझने के लिए महत्वपूर्ण है

• ALICE analysis के अनुसार, LHC Run 2 की अवधि 2015–2018 के दौरान चार मुख्य experiments में लगभग 86 अरब gold nuclei बने
• mass के रूप में यह 29 picograms, यानी 2.9 × 10^-11 g के बराबर है
• LHC में नियमित upgrades के साथ luminosity लगातार बढ़ रही है, इसलिए Run 3 में Run 2 की तुलना में लगभग दोगुना सोना बनता है
• कुल production फिर भी एक jewellery item बनाने के लिए जरूरी मात्रा से खरबों गुना कम है
• ALICE ZDC की capabilities की वजह से यह analysis LHC में gold production signal को experimental रूप से systematic तरीके से detect और analyze करने का पहला मामला बना
• परिणामों का उपयोग electromagnetic dissociation के theoretical models को test और improve करने में किया जाता है
  • इन models का उपयोग beam loss को समझने और predict करने में होता है, जो LHC और भविष्य के colliders के performance को सीमित करने वाला एक प्रमुख factor है

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Hacker News की राय

• संबंधित हिस्सा यह है: “ALICE के विश्लेषण के मुताबिक, LHC Run 2 (2015~2018) के दौरान 4 प्रमुख experiments में करीब 86 अरब सोने के atomic nuclei बने। द्रव्यमान के हिसाब से यह 29 picogram (2.9 ×10-11 g) के बराबर है”
  1 ounce बनाने के लिए बस scale को trillion-level तक बढ़ाना होगा, लेकिन सीसे को सोने में बदलना—अनगिनत alchemists का सपना—अब particle accelerator का byproduct बन गया है

  • हिसाब लगाया तो LHC के breakeven तक पहुंचने के लिए सोने की कीमत करीब 48 trillion×1 trillion dollars प्रति ounce होनी चाहिए
  • इस scale का अहसास सचमुच बेतुका है। 86 अरब atomic nuclei सिर्फ 29 picogram हैं, और 1 gram 10^12 picogram होता है
    1 gram सोने में 1,000 billion billion सोने के atomic nuclei होते हैं
  • सीसे को सोने में बदलना particle accelerator का byproduct बन गया, यही तो ultimate philosopher’s stone है
  • किसी को जल्दी nVidia से संपर्क करना चाहिए। वे पहले से GPU में accelerators integrate कर रहे हैं, और Moore’s Law से बेहतर scalability भी है
  • यह देखते हुए कि यह असल में खोजा जा रहा byproduct नहीं था, अगर इसे मुख्य लक्ष्य बनाया जाए तो numbers काफी ऊपर जा सकते हैं

• मैंने Brookhaven National Lab में PhD thesis research की थी, जहां RHIC है, जो LHC heavy-ion program का predecessor है
  उस समय एक senior scientist ने चल रहे program review में हुई बातचीत के बारे में बताया था। तब RHIC heavy-ion program में सोने की collisions करा रहा था, और एक reviewer ने पूछा था कि क्या सीसे जैसे सस्ते element पर switch करके खर्च बचाया जा सकता है। RHIC की तरफ से किसी को समझ नहीं आया कि क्या जवाब दें। ठीक-ठीक numbers याद नहीं हैं, लेकिन पूरे program period में RHIC ने कुल मिलाकर शायद 1 milligram से कम सोना इस्तेमाल किया था

  • पहले मैं एक ऐसी lab में काम करता था जहां gold atomic layer deposition equipment था। सोने की single atomic layer के प्रति layer थोड़ी-सी रकम, शायद कुछ cents या कुछ dollars, ली जाती थी
    wafer रखने के लिए bell-shaped chamber था, और wafer size चाहे जो हो, chamber के अंदर की पूरी सतह समान रूप से सोने से coat हो जाती थी। equipment चलाने वाला technician अपने samples के साथ अपनी ring भी chamber में रख देता था, और सालों में layers जमा होने से उसे धीरे-धीरे “सोने में बदल” देता था
  • अगर सीसे पर switch किया होता तो शायद अब तक कुछ milligram सोना बना चुके होते

• बना हुआ सोना gold-203 है, radioactive है, और 1 minute में mercury-203 में decay हो जाता है। mercury-203 भी radioactive है। जिस सोने को हम जानते हैं वह gold-197 है
  यह सीसे को सोने में बदलने का पहला मामला भी बिल्कुल नहीं है। सीसे को gold-197 में बदलने वाला transmutation 1980 में ही किया जा चुका था। ऐसे सभी मामलों में produced amount इतना कम होता है कि precious metal के रूप में इसकी कीमत practically 0 है

  • mercury-203? यह तो डरावना combination है। mercury अपने आप में ही काफी toxic है, इसे radioactive होने की भी जरूरत नहीं

• मजे के लिए हिसाब लगाया कि LHC और ALICE को FCC की cost खुद fund करने लायक सोना बनाने में कितना समय लगेगा। मौजूदा CHF gold price के आधार पर 15 billion CHF माना, perfect conditions में और सभी limits को ignore करते हुए
  निष्कर्ष: continuous operation में करीब 185 billion years लगेंगे। तुलना के लिए, universe की age करीब 14 billion years है। यहां Hubble tension को ignore किया गया है

  • सोना बनाने की cost मिलने वाले सोने की कीमत से ज्यादा होगी, इसलिए असल में इसे अनंत समय ही मानना चाहिए
  • LHC से gold supply dilute होने की चिंता करने की जरूरत नहीं। वह काम asteroid mining करेगी
  • आप यह मान रहे हैं कि सोना उसी तरीके से बनाया जाएगा। process शायद काफी बेहतर हो सकती है। अगर growth rate डालें तो क्या होगा?

• तकनीकी प्रगति पर चर्चा सुनते ही हर बार ऐसा लगता है। अक्सर यह दावा सामने आता है कि 20वीं सदी की शुरुआत में भी कई लोग मानते थे कि हम तकनीक के शिखर के करीब पहुंच गए हैं, और आज भी जब वही दावा किया जाता है तो वही बात फिर उठती है।
  मुझे नहीं लगता कि हम अभी वहां तक पहुंच गए हैं, लेकिन जिन सीमाओं के करीब हम जा रहे हैं वे ज्ञान की सीमाओं से ज्यादा संसाधन और engineering की सीमाएं लगती हैं। शाब्दिक अर्थ में alchemy तो है, लेकिन अर्थपूर्ण मात्रा में सोना बनाने की क्षमता नहीं है। इसलिए नहीं कि तरीका नहीं पता, बल्कि इसलिए कि यह practical नहीं है। materials science, chemistry, और शायद physics practical technology के लिहाज से आगे कितना और दे सकते हैं? निश्चित रूप से बहुत कुछ, लेकिन मुझे नहीं लगता कि इन क्षेत्रों में तकनीकी प्रगति की रफ्तार लगातार बनी रहेगी। बेशक, भले ही चीजें तुरंत technology में लागू न हों, सीखने को अभी भी बहुत कुछ है।
  मुझे लगता है कि जहां लागू करने योग्य और practical knowledge सचमुच बहुत बचा है, वह biochemistry और biology है। हमने अभी सतह भी नहीं खुरची है। हो सकता है हम प्रकाश से तेज चलने का तरीका कभी न खोज पाएं, लेकिन अगर शरीर को सैकड़ों या हजारों साल तक suspended state में रहने के लिए adapt किया जा सके, तो शायद यह बड़ी समस्या न रहे। biology को आसानी से manipulate कर पाना मुझे nuclear proliferation से कहीं ज्यादा खतरनाक लगता है। खैर, मैं इन क्षेत्रों का विशेषज्ञ नहीं हूं।

  • मैं कड़े तौर पर असहमत हूं। materials science और chemistry ने अभी बस सतह ही खुरची है, और आम तौर पर ये तुलनात्मक रूप से सरल पदार्थों की bulk properties से निपट रहे हैं।
    अभी जिन metamaterials और molecular machines के design space को explore नहीं किया गया है, वह बहुत बड़ा है।
  • materials science अभी भी काफी हद तक educated guess, मिश्रण, और composition व process में बहुत छोटे बदलावों को अंतहीन तरीके से test करने जैसी एक कला है।
    ऐसा इसलिए है क्योंकि अच्छे theoretical framework, mathematical techniques और computing power होने पर भी angstrom scale से नीचे यह केवल कुछ हद तक काम करता है, और millimeter scale से ऊपर FEM जैसे mechanical engineering tools हैं, लेकिन जिन nano-to-micro scale पर वास्तविक material properties का बड़ा हिस्सा बनता है, वह व्यवहार में computationally impossible है। मुझे लगता है कि कुछ atoms वाले हल्के systems से आगे first-principles material property calculations भी अभी मुश्किल हैं। मैं advanced mathematics और calculus में इतनी intuitive पकड़ वाला व्यक्ति नहीं हूं जो ऐसी समस्याएं हल कर सके, इसलिए इस क्षेत्र में graduate research का स्वभाव मुझे व्यक्तिगत रूप से आकर्षक नहीं लगा। फिर भी semiconductor fabs और catalyst labs ने systematic और repetitive large-scale experimentation के जरिए बड़ी प्रगति की है।
    अगर nano-to-micro scale की computability हल हो जाए, तो यह Industrial Revolution और information technology revolution के बराबर बड़ा बदलाव ला देगी। मुझे लगता है कि biology revolution को भी protein manipulation के लिए मूल रूप से ऐसी ही computability चाहिए, हालांकि bacteria का उपयोग करने वाला एक bypass भी दिखता है। पिछले कुछ वर्षों में कभी-कभी nano-to-micro scale की mathematics और computability में प्रगति का संकेत देने वाले papers देखे हैं, इसलिए मुझे काफी उम्मीद है कि तकनीकी रूप से बड़ी प्रगति होगी।
  • हुंह, singularity तो अगले मंगलवार के आसपास schedule है, लेकिन हमने अभी तक Dyson sphere भी नहीं बनाया।
  • यह दिलचस्प सवाल है कि हमारे पास मौजूद ज्ञान और तकनीकी क्षमता को हम वास्तविक application तक कितना आगे धकेल सकते हैं। क्योंकि understanding की frontier चाहे जितनी दूर जाए, उसके पीछे-पीछे applicability की frontier को भी आगे बढ़ना होगा।
    यह सोचने लायक है कि क्या इन दोनों के संबंध को समझाने वाला कोई principle हो सकता है। कभी ऐसा लगने लगा था कि हम दीवार से टकरा गए हैं—इसकी वजह democracy का साफ दिखता crisis, computer processing performance की सीमाएं, services का अंदर से खराब होना यानी enshittification, high-speed rail जैसी चीजें न कर पाना, self-driving cars की धीमी progress, और यह एहसास था कि शहरों की मौजूदा इमारतें लंबे समय तक रहती हैं और रातोंरात cyberpunk style में नहीं बदल जाएंगी।
    लेकिन अगर हमारा दौर democracy पर खतरे, pandemic और war के लिए याद न किया जाता, तो शायद हमें इसे science frontier पर सचमुच महत्वपूर्ण advances के दौर के रूप में याद करने की गुंजाइश मिलती। CRISPR और AI अकेले ही किसी युग का प्रतिनिधित्व करने वाली उपलब्धियां कहलाने के लिए काफी हैं। इसलिए मूल बात पर लौटें तो, अब तक की progress इस बात का प्रमाण नहीं है कि knowledge frontier को applicability में बदलने की हमारी क्षमता जल्द धीमी पड़ने वाली है। आपकी बात समझता हूं, लेकिन मैं थोड़ा ज्यादा optimistic हूं।

• सोचता हूं कि क्या physicists के non-gold metals को सोने में बदलने के obsession की असली वजह LHC ही थी।
  Newton ने अपने जीवन के लगभग 30 साल alchemy में लगाए, और बाकी उपलब्धियां तो असल में side projects जैसी थीं।

  • अगर research funding कटने की चिंता है, तो सीसे को सोने में बदलना भी एक workaround हो सकता है।
  • मजेदार बात है। बहुत पहले से पता था कि यह संभव है, बस cost absurdly high थी।
  • लगता है Ars Magna अब भी बची हुई है। अगर alchemists इस shock से उबर पाते कि उन्हें nature के बारे में अपनी religious theories को बहुत ज्यादा बदलना पड़ेगा, तो शायद वे modern chemistry के युग को वाकई दिलचस्प मानते।
  • https://www.laphamsquarterly.org/magic-shows/miscellany/alch...
  • पक्का Anunnaki ने विशाल atmospheric gold project पर अपना आखिरी दांव चला है।

• ऐतिहासिक रूप से सोचता हूँ कि सीसा और सोना इतने गहराई से क्यों जुड़े रहे। अल्केमिस्ट सीसे को सोने में बदलने पर ही क्यों केंद्रित थे? उन्होंने लोहे या क्वार्ट्ज जैसे पत्थरों से शुरुआत क्यों नहीं की? क्या बस इसलिए कि दोनों भारी और नरम धातुएँ हैं?

  • उस समय की प्रमुख theory यह थी कि धातुएँ जमीन के अंदर बढ़ती हैं, अधातुओं से शुरू होकर समय बीतने या कुछ खास conditions में ऊँची धातुओं में बदलती हैं, और आखिर में सोने तक पहुँचती हैं। सोना जंग नहीं खाता, इसलिए उसे end point माना गया
    उस समय उपलब्ध जानकारी के हिसाब से यह बहुत खराब theory नहीं थी। आखिर सारी धातुएँ जमीन से ही निकलती हैं। सीसे को सोने में बदलने का विचार जादुई सोच नहीं था, बल्कि प्राकृतिक conditions को lab में reproduce और accelerate करने की कोशिश था। आज हम सैकड़ों अलग-अलग तरीकों से जो करते हैं, उससे मिलता-जुलता। अगर कोई सफल हो जाता, तो वह उस युग के double-slit experiment की तरह अल्केमी theory के सही होने का पूरा प्रमाण बन जाता
  • शायद इसकी बड़ी वजह यह थी कि सीसा नकली सिक्कों में इस्तेमाल होता था। तरीका था सीसे पर सोने की पतली परत चढ़ाना
    मध्यकालीन फिल्मों में सिक्का काटकर देखने वाले दृश्य याद होंगे; वह यह जांचने के लिए होता था कि वह सोना है या सीसा। इसलिए सीसा नकली का प्रतीक था, और नकली को असली में बदलने जैसा मामला था
  • लेख में भी ऐसा लिखा है:
    “chrysopoeia के नाम से जानी जाने वाली यह पुरानी खोज शायद इस observation से प्रेरित रही हो कि धुंधला grey और अपेक्षाकृत प्रचुर सीसा, अपनी सुंदर रंगत और दुर्लभता के कारण लंबे समय से चाहा जाने वाला सोना, उसके जैसी density रखता है”
  • किसी को सोने की परत चढ़े सीसे को असली सोना बताकर बेचना, pyrite बेचकर धोखा देने से आसान है। हालांकि सोने का कहीं ज्यादा melting point पकड़े जाने का सुराग है
    मुझे लगता है अल्केमी जिस चीज को बदलना चाहती थी वह atomic properties से ज्यादा, lab में सस्ता सोना बनाने के लिए melting point और रंग जैसी सोने की खास properties को सीसे में ले आना रहा होगा
  • शायद वजह यह थी कि वजन “काफी करीब” था। कम से कम लोहे से तो करीब था, इसलिए उन्हें लगा होगा कि दोनों आपस में closely related हैं। तो थोड़ा-सा tweak करने से इसे चमकदार, सुंदर और करीब 40% ज्यादा भारी बनाया जा सकता है
    चाँदी को सोने में बदलने की कोशिशें भी जरूर हुई होंगी। चाँदी का वजन और करीब है, इसलिए उन्हें लगा होगा कि जरूरी बदलाव भी छोटा होगा

• अल्केमिस्टों को बस Large Hadron Collider की जरूरत थी। वे अपने समय से बहुत आगे थे

  • बस एक बड़ा transmutation circle चाहिए, सच में। एक और transmutation circle हो तो organic matter को सोने में बदला जा सकता है। बस एक बार और इसे पूरे शहर के चारों ओर बनाना होगा
  • किसे पता था कि philosopher's stone ring-shaped होना चाहिए और जमीन के काफी नीचे दबा होना चाहिए

• L. Ron Hubbard की Mission Earth SF series का एक scene कई सालों से याद है। पृथ्वी पर infiltration mission की तैयारी कर रहा protagonist, जो असल में लगभग villain जैसा character है, अपने शहर के fusion power plants से भरे इलाके में जाता है और साथ ले जाने के लिए ढेर सारा सोना order करता है
  नतीजे में इतना सोना हो जाता है कि पृथ्वी की economy collapse हो सकती थी। लेकिन जो बात लंबे समय तक याद रही, वह elements को order पर produce करने का idea है

  • वह 500 tons था, और 80s के dollars में लगभग 500 million dollars में trade हुआ था। काफी बड़ी रकम है, लेकिन पृथ्वी को हिला देने लायक नहीं। और उसने वह सब खो दिया था

• यह particle accelerator के अंदर target पर सीधे bombard करने का मामला भर नहीं है, बल्कि CERN में near-miss collisions के जरिए सीसे को सोने में बदलने का नया तरीका है। पैदा हुई मात्रा submicroscopic और radioactive है