Le plomb a été transformé en or, mais seulement pendant un milliardième de seconde.

En bref

• Des chercheurs ont observé une conversion temporaire du plomb en or au sein du LHC.

• Le phénomène, produit lors de collisions ultraperphériques, ne dure qu’un trillième de seconde.

• Cette réaction repose sur la perte de trois protons dans le noyau de plomb-208, le transformant brièvement en or-205.

• Ces résultats améliorent la compréhension des interactions photon-noyau et orientent la conception des futurs accélérateurs.

• L'expérience offre aussi des applications concrètes pour la sécurité et l’efficacité des installations comme le FCC ou l’EIC.

Une alchimie atomique devenue réalité

Le 30 juillet 2025, des scientifiques ont validé un phénomène que les alchimistes du Moyen Âge n’avaient pu que rêver. Grâce aux puissants faisceaux d’ions lourds du Grand collisionneur de hadrons (LHC), situé entre la France et la Suisse, des noyaux de plomb-208 ont été momentanément transformés en or-205. Le tout pour une durée d’environ 10⁻²³ seconde.

Cette prouesse expérimentale a été réalisée lors d’interactions dites ultraperphériques, où deux noyaux passent très près l’un de l’autre sans collision directe, mais avec des échanges intenses de photons à haute énergie.

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Comment le plomb devient or en une fraction d’instant

À la différence des chocs frontaux classiques, ces interactions à distance permettent un environnement bien plus propre, avec un bruit de fond réduit. Lorsqu’un plomb-208 perd trois protons suite à l’impact photonique, il se transforme brièvement en or-205. Un phénomène détecté pour la première fois avec autant de précision grâce à l’ajustement fin des capteurs de l’expérience ALICE, dirigée par l’Université du Kansas.

Des algorithmes de filtrage avancés ont permis d’isoler ces événements rarissimes parmi plus de deux millions de collisions.

Des résultats qui bousculent la physique des hautes énergies

Le taux de production de ce “quasi-or” a été estimé à 6,8 barns, soit près de 90 % de la fréquence des collisions plomb-plomb classiques au même niveau d’énergie. Une découverte qui suggère que ces “alchimies” miniatures se produisent bien plus fréquemment qu’imaginé dans le tunnel du LHC.

Les données obtenues sont conformes à quelques écarts près aux prédictions du modèle photonuclear RELDIS, bien qu’elles révèlent certaines limites dans la modélisation actuelle, notamment en ce qui concerne les émissions pré-équilibrées et la coalescence de nucléons.

Au service des futurs accélérateurs

Derrière cette transformation spectaculaire se cache une utilité très concrète : la sécurité des infrastructures. Chaque variation isotopique affecte le comportement des particules dans les aimants supraconducteurs du LHC. Une conversion d’un seul proton peut ainsi engendrer la création de thallium, plus difficile à canaliser, voire causer l’arrêt des systèmes de protection magnétique.

Les données sur les canaux de perte de 0 à 3 protons contribuent à la construction de cartes de pertes de faisceau, cruciales pour les projets comme le Future Circular Collider (FCC) ou l’Electron-Ion Collider (EIC) aux États-Unis.

Une physique de précision, bien au-delà de l’or

Outre l’or, les collisions périphériques ont également permis d’observer la formation d’isotopes rares comme le mercure, le platine ou le thallium, chacun apportant de nouveaux éléments sur les mécanismes de désintégration nucléaire.

Des phénomènes complexes comme la diffusion lumière-lumière ou la recherche de particules exotiques de type axion pourront également bénéficier de ces observations.

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Des outils technologiques pour capter l’invisible

L’équipe dirigée par Daniel Tapia Takaki s’est appuyée sur des calorimètres zéro degré pour détecter les fragments neutres et chargés à plus de 110 mètres du point d’impact. La méthode de sélection a permis d’extraire un échantillon pur, avec moins de 1 % de faux positifs liés à des collisions hadroniques périphériques.

Les largeurs des pics observés dans les spectres énergétiques ont été corrigées à l’aide d’un modèle gaussien modifié, tenant compte de la dispersion spécifique des protons relativistes.

L’or comme indicateur de performance machine

La présence ponctuelle d’or n’est pas seulement un sujet de fascination scientifique. Elle constitue aussi un signal de performance pour les ingénieurs de faisceau. Une mauvaise gestion de ces particules secondaires peut coûter des jours d’arrêt et plusieurs millions d’euros en exploitation.

Le développement d’un déclencheur dédié aux collisions ultraperphériques, combinant intelligence artificielle et traitement en temps réel, est actuellement en cours. Il devrait permettre une capture plus efficace de ces événements rares, et pourquoi pas, l’identification d’isomères à longue durée de vie avant leur désintégration.

Une révolution discrète mais essentielle

L’étude complète, publiée dans Physical Review C, marque une étape dans l’évolution des collisions photon-noyau, avec des implications aussi bien théoriques que pratiques. Si l’or ne reste visible qu’un instant, son observation éclaire de manière durable le futur des machines à haute énergie et des politiques de sûreté dans les grands accélérateurs.

Et dans un monde où les marchés financiers scrutent la moindre variation du cours de l’or, cette alchimie moderne même furtive n’a rien d’anecdotique.