Gold aus Blei: Wie der LHC am CERN den Traum der Alchemisten wahr macht – und warum es uns nicht reich macht

Benjamin Metzig
10. Mai
8 Min. Lesezeit

Stell dir vor, du hältst ein Stück Blei in der Hand – schwer, grau, alltäglich. Und nun stell dir vor, du könntest dieses unscheinbare Metall in pures, glänzendes Gold verwandeln! Dieser Gedanke hat die Menschheit seit Jahrtausenden fasziniert, beflügelt und manchmal auch in die Irre geführt. Die Alchemisten, jene geheimnisumwitterten Forscher des Mittelalters und der Antike, träumten von der "Chrysopoeia", der Kunst der Goldmacherei. Sie suchten nach dem legendären Stein der Weisen, einer Substanz, die nicht nur unedle Metalle veredeln, sondern vielleicht sogar Unsterblichkeit verleihen sollte. Es war eine Suche, die tief in philosophischen und spirituellen Überzeugungen verwurzelt war, weit mehr als nur das Streben nach materiellem Reichtum. Doch trotz unzähliger Experimente in rauchgeschwängerten Laboren blieb der große Durchbruch aus. Die Alchemie, einst eine ernsthafte Disziplin, verlor im Laufe der Zeit an Ansehen, geplagt von Misserfolgen und Betrügereien. Aber was wäre, wenn ich dir sage, dass dieser uralte Traum auf eine Weise Wirklichkeit geworden ist, die sich die Alchemisten niemals hätten vorstellen können – nicht in staubigen Kammern, sondern in den Kathedralen der modernen Wissenschaft?

Das fundamentale Problem der Alchemisten war, dass sie die wahre Natur der Materie noch nicht kannten. Sie operierten mit chemischen Methoden – Erhitzen, Mischen, Destillieren. Doch Gold und Blei sind grundverschiedene Elemente, definiert durch die Anzahl der Protonen in ihren Atomkernen. Blei hat 82, Gold nur 79. Chemische Prozesse können lediglich die Elektronen in der Atomhülle neu anordnen, den Kern selbst aber lassen sie unberührt. Der Schlüssel zur Elementumwandlung, der sogenannten Transmutation, liegt tiefer verborgen, im Herzen des Atoms. Erst die Entdeckungen der Kernphysik im frühen 20. Jahrhundert öffneten die Tür zu diesem verborgenen Reich und zeigten: Ja, Elemente können ineinander umgewandelt werden! Was einst als magischer Akt galt, entpuppte sich als ein Prozess, der immense Energien erfordert – Energien, die in den gewaltigen Maschinen der modernen Forschung freigesetzt werden. Und genau hier kommt der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ins Spiel, der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Dort, wo Physiker den fundamentalen Bausteinen des Universums auf der Spur sind, wurde jüngst eine Beobachtung gemacht, die wie ein Echo aus der alchemistischen Vergangenheit klingt: die Umwandlung von Blei in Gold. Natürlich nicht, um reich zu werden, sondern als faszinierendes Nebenprodukt extremer physikalischer Experimente.

Um zu verstehen, wie diese moderne "Alchemie" funktioniert, müssen wir uns kurz die Grundlagen der Kern-Transmutation ansehen. Wie gesagt, die Identität eines Elements ist in Stein gemeißelt – oder besser gesagt, in der Anzahl seiner Protonen. Um Blei (82 Protonen) in Gold (79 Protonen) zu verwandeln, müssen also drei Protonen aus dem Bleikern entfernt werden. Das ist nichts, was man mit einem einfachen Bunsenbrenner erreicht! Kernreaktionen sind das Metier der Kernphysik und erfordern das Aufbrechen der starken Kernkraft, die Protonen und Neutronen (zusammen Nukleonen genannt) im Kern zusammenhält.

Es gibt verschiedene Wege, wie eine solche Transmutation geschehen kann:

Natürliche Transmutation: Findet ständig in der Natur statt, wenn radioaktive Elemente zerfallen. Ein instabiler Kern spuckt Teilchen aus (z.B. Alphateilchen, das sind Heliumkerne, oder Betateilchen, Elektronen/Positronen) und verwandelt sich so in ein anderes Element. Auch die schweren Elemente wie Gold und Blei verdanken ihre Existenz solchen Transmutationen in den kosmischen Feueröfen von Supernova-Explosionen.
Künstliche Transmutation: Hier greift der Mensch ein. In Teilchenbeschleunigern werden Atomkerne mit hochenergetischen Teilchen beschossen, oder in Kernreaktoren werden sie einem intensiven Neutronenfluss ausgesetzt.

Die erste künstliche Transmutation gelang übrigens Ernest Rutherford schon 1919, als er Stickstoff mit Alphateilchen beschoss und dabei Sauerstoff erzeugte – ein wahrhaft historischer Moment! Spätere Experimente, wie die von Glenn T. Seaborg in den 1980er Jahren, zeigten, dass man Bismut (ein Nachbar von Blei im Periodensystem) tatsächlich in winzige Mengen Gold umwandeln kann. Diese Pioniere ebneten den Weg für das, was heute am CERN möglich ist, und demonstrierten eindrücklich das Prinzip – aber auch die enormen Kosten. Die folgende Tabelle zeigt einige wichtige Meilensteine auf diesem Weg:

Jahr	Wissenschaftler(in)	Experiment/Entdeckung	Kurze Bedeutung
1902	E. Rutherford & F. Soddy	Entdeckung der natürlichen Transmutation durch radioaktiven Zerfall	Grundlegendes Verständnis, dass Elemente sich spontan verändern können.
1919	E. Rutherford	Erste künstliche Transmutation (Stickstoff zu Sauerstoff)	Beweis, dass Menschen Elemente umwandeln können.
1941	R. Sherr, K. Bainbridge, H. Anderson	Kern-Transmutation von Quecksilber zu Gold	Frühe erfolgreiche, dokumentierte Transmutation eines Elements nahe Gold zu Gold.
1980	G. Seaborg et al.	Erfolgreiche Transmutation von Bismut zu Gold	Bestätigung der Transmutationsmöglichkeit mit Beschleunigern, aber auch der hohen Kosten.
2010er-Heute	ALICE Kollaboration (CERN)	Beobachtung der Transmutation von Blei zu Gold am LHC durch elektromagnetische Dissoziation	Moderne Demonstration unter extremen Bedingungen, primär für fundamentale Forschung.

Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung nahe Genf, ist so etwas wie der Nabel der teilchenphysikalischen Welt. Hier steht der Large Hadron Collider, ein 27 Kilometer langer Ringtunnel tief unter der Erde, in dem Protonen oder schwerere Ionen – wie eben Bleiionen – auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Die primäre Mission des LHC ist es, die fundamentalen Gesetze des Universums zu erforschen: die Eigenschaften des Higgs-Bosons zu vermessen, nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen, die Geheimnisse der Dunklen Materie und Dunklen Energie zu lüften. Die Herstellung von Gold steht dabei, man ahnt es schon, nicht wirklich auf der Agenda. Eines der vier Haupt-Experimente am LHC ist ALICE (A Large Ion Collider Experiment). ALICE ist speziell dafür gebaut, die Kollisionen von schweren Ionen, wie Blei, zu untersuchen. Das Hauptziel dabei ist die Erzeugung und Erforschung des Quark-Gluon-Plasmas – ein exotischer Materiezustand, der kurz nach dem Urknall existierte. Stell dir vor, du bringst Materie auf Temperaturen, die millionenfach heißer sind als das Innere der Sonne! Genau das passiert bei den frontalen Kollisionen von Blei-Kernen im ALICE-Detektor.

Doch wie kommt nun das Gold ins Spiel? Die Umwandlung von Blei zu Gold am LHC geschieht nicht bei diesen brutalen Frontalkollisionen, die das Quark-Gluon-Plasma erzeugen. Stattdessen findet sie bei sogenannten "ultra-peripheren Kollisionen" (UPCs) statt. Das sind "Beinahe-Treffer", bei denen sich zwei Blei-Kerne extrem nah kommen, aber nicht direkt zusammenstoßen. Blei-Kerne sind mit ihren 82 Protonen stark positiv geladen. Wenn sie im LHC mit über 99,99999% der Lichtgeschwindigkeit aneinander vorbeirasen, erzeugen ihre extrem starken elektromagnetischen Felder einen intensiven Puls aus hochenergetischen virtuellen Photonen – Lichtteilchen gewaltiger Energie. Trifft solch ein energiereiches Photon auf den vorbeifliegenden Blei-Kern, kann es diesen so stark anregen, dass Protonen und Neutronen herausgeschleudert werden. Diesen Prozess nennt man elektromagnetische Dissoziation. Werden dabei genau drei Protonen (und meist auch einige Neutronen) aus dem Blei-Kern entfernt, entsteht ein Gold-Kern. Es ist also kein Zertrümmern, sondern eher ein "sanftes Herausklopfen" durch die immense Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung bei relativistischen Geschwindigkeiten. Und das ALICE-Experiment, mit seinen spezialisierten Detektoren wie den Zero Degree Calorimeters (ZDCs), ist empfindlich genug, um diese seltenen Ereignisse und die dabei entstehenden Teilchen präzise nachzuweisen.

Eine energiegeladene digitale Kunstszene zeigt links einen kompakten Blei-Atomkern aus leuchtend rot-blauen Kugeln, aus dem drei glühende Protonenstrahlen hervorschießen. Diese verbinden sich mit einem goldgelb strahlenden Atomkern auf der rechten Seite – Symbol für die Umwandlung zu Gold. Umgeben ist die Szene von pulsierenden elektromagnetischen Feldlinien in Blau, Violett und Orange, durchzogen von kleinen, verstreuten Photonenpunkten. Der Hintergrund ist dunkel, was die leuchtenden Farben und die Dynamik dieses transmutativen Prozesses besonders kraftvoll zur Geltung bringt.

Jetzt kommt natürlich die spannende Frage: Wie viel Gold entsteht denn da? Während des zweiten Betriebszyklus des LHC (Run 2, 2015–2018) wurden schätzungsweise rund 86 Milliarden Goldkerne in den großen Experimenten erzeugt. Im aktuellen Run 3 scheint die Rate sogar noch höher zu sein, mit bis zu 89.000 Goldkernen pro Sekunde am ALICE-Kollisionspunkt! Das klingt erstmal nach viel, oder? Milliarden von Goldatomen! Aber bevor du jetzt anfängst, deine Ersparnisse in CERN-Aktien zu investieren (die es übrigens nicht gibt, da es eine internationale Forschungseinrichtung ist): Die Gesamtmasse dieser 86 Milliarden Goldkerne beträgt gerade einmal etwa 29 Pikogramm. Das ist eine 29 mit elf Nullen hinter dem Komma – eine unvorstellbar winzige Menge, Billionen Mal weniger, als man für einen Ehering bräuchte. Es entspricht etwa der Masse einiger weniger Bakterien. Zudem ist das so erzeugte Gold oft nicht von langer Dauer. Viele der entstandenen Goldisotope sind radioaktiv und zerfallen innerhalb von Sekunden oder Minuten wieder in andere Elemente. Das Gold-Isotop <sup>203</sup>Au zum Beispiel hat eine Halbwertszeit von nur 52 Sekunden. Es ist also eher ein flüchtiger Gast im Detektor.

Die Produktion von Gold auf diese Weise ist also wissenschaftlich absolut faszinierend, aber wirtschaftlich ein kompletter Reinfall. Der Energieaufwand für den Betrieb des LHC ist gigantisch – der gesamte CERN-Standort verbraucht etwa 200 Megawatt Leistung. Die Kosten, um auch nur mikroskopische Mengen Gold per Transmutation herzustellen, würden den Preis von natürlich abgebautem Gold um viele, viele Größenordnungen übersteigen. Man hat es mal so formuliert: Mit dem Geld, das die Herstellung eines Goldrings auf diese Weise kosten würde, könnte man sich wahrscheinlich eine solide Goldjacht kaufen. Der Prozess ist extrem ineffizient, und die radioaktive Natur vieler Produkte macht sie für praktische Zwecke unbrauchbar. Es ist also klar: Der Traum vom unermesslichen Reichtum durch künstliches Gold bleibt auch im 21. Jahrhundert ein Traum. Möchtest du tiefer in solche faszinierenden wissenschaftlichen Entdeckungen eintauchen und regelmäßig mit spannenden Geschichten aus Forschung und Technik versorgt werden? Dann melde dich doch für unseren monatlichen Newsletter an – das Formular findest du oben auf jeder Seite!

Was ist also der wahre Wert dieser Beobachtungen, wenn nicht das Gold selbst? Er liegt in den fundamentalen physikalischen Erkenntnissen, die wir gewinnen! Die Umwandlung von Blei zu Gold ist hier nur ein besonders plakatives Beispiel für Prozesse, die den Physikern helfen, die Grundkräfte der Natur und die Struktur der Materie besser zu verstehen.

Modelle testen: Die experimentellen Daten von ALICE sind Gold wert (Wortspiel beabsichtigt!), um theoretische Modelle der elektromagnetischen Dissoziation bei extrem hohen Energien zu überprüfen und zu verfeinern.
Photon-Kern-Wechselwirkungen verstehen: Diese Experimente eröffnen ein einzigartiges Fenster, um zu untersuchen, wie hochenergetische Photonen mit schweren Kernen interagieren.
Beschleuniger optimieren: Das Verständnis dieser Prozesse ist auch wichtig, um Strahlverluste in Beschleunigern wie dem LHC besser zu managen und zukünftige Maschinen noch leistungsfähiger zu designen.
Kernstruktur erforschen: Die Art und Weise, wie Protonen und Neutronen herausgeschleudert werden, verrät Details über die innere Struktur und die Anregungszustände schwerer Kerne.
Detektortechnik demonstrieren: Die Fähigkeit, diese seltenen Ereignisse präzise zu messen, zeigt eindrucksvoll, was moderne Detektortechnologie leisten kann.

Die Forschung am CERN ist also keine Goldgräberstimmung, sondern harte wissenschaftliche Arbeit, die unser Wissen über das Universum erweitert. Jedes "Stäubchen" Gold, das dort entsteht, ist ein winziges Puzzleteil in einem viel größeren Bild. Es ist ein Beleg dafür, dass die Gesetze der Physik auch unter den extremsten Bedingungen gelten und dass wir die Werkzeuge haben, diese Gesetze zu erforschen.

Die Reise von den geheimnisvollen Ambitionen der Alchemisten bis zu den präzisen Messungen am Large Hadron Collider ist wirklich atemberaubend. Der uralte Traum, Elemente zu verwandeln, ist nicht nur wahr geworden, sondern hat sich in ein mächtiges Werkzeug verwandelt, um die tiefsten Geheimnisse der Materie zu lüften. Der "Schatz", den die moderne Wissenschaft hier hebt, ist kein materieller Reichtum, sondern ein unermesslicher Zuwachs an Wissen und Verständnis. Die Faszination für die Transformation, die einst Alchemisten antrieb, lebt in den Herzen der Physikerinnen und Physiker am CERN weiter – nur dass ihr "Stein der Weisen" aus Daten, Theorien und der unbändigen menschlichen Neugier besteht. Und das, meine Lieben, ist in meinen Augen wertvoller als alles Gold der Welt.

Was denkst du über diese moderne Form der Alchemie? Ist es nicht unglaublich, wie weit die Wissenschaft uns gebracht hat, von mystischen Träumen bis hin zu konkreten Experimenten, die die Bausteine der Realität untersuchen? Lass mir gerne einen Kommentar da und teile deine Gedanken – ich freue mich immer riesig über einen regen Austausch! Und wenn dir dieser Beitrag gefallen hat, zeig es doch mit einem Like!

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Bis zum nächsten Mal, wenn wir wieder gemeinsam in die Wunder des Universums eintauchen!

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