1988 年，在距離意大利撒丁島海岸約 10 千米處的海底，潛水員正不斷下潛，試圖尋找沉船遺跡。當他們下潛到 28 米深處，突然發現了一艘沉船的輪廓。
自航海時代開啟以來，海洋已經吞噬了無數船只。這些沉船封存著不同年代的寶藏與歷史，每發現一艘都會引起海洋考古學家的極大興趣，這是他們重現過去的最佳線索。
通過船上陶罐的形狀，考古學家判定，這是一艘古羅馬沉船。古羅馬文明距今已有兩千多年，時間和海水摧毀了大部分木質結構，但一些耐腐蝕的石器與金屬制品依然保存完好。盡管在意大利附近的海底發現古羅馬沉船不足為奇，這艘船卻很特別，它比絕大部分沉船要大得多，也堅固得多。
從撒丁島海域的沉船遺跡回收鉛錠。圖片來源：參考文獻[9]
考古學家發現了這艘船如此堅固的原因——船內裝載了大量金屬條，足足一千多塊鉛錠，也就是約 33 噸的金屬，是當時在沉船發掘中最多的一次。對于這些沉甸甸的“寶藏”，考古學家無疑十分驚喜！可疑的是，物理學家也同樣興奮。
考古學中的鉛
這些鉛錠每一塊都大致呈梯形，長 45 厘米，重約 33 千克，因此被發現時依然碼放的整整齊齊。
鉛在古羅馬是非常重要的金屬，會被鑄成水管、硬幣、武器或建筑結構等。雖然無法明確具體用途，但這一大批鉛錠的發現也證實了古羅馬制造能力的強大以及經濟貿易的發達。鉛錠上印刻的銘文商標，也讓考古學家得以窺探失落文明的技術、工業和文化史。
古羅馬鉛水管（1 世紀），攝于格羅夫那博物館。圖片來源：Wolfgang Sauber/Wikipedia
古代鉛錠多是從深海沉船打撈出來的，但也有一些鉛錠被掩埋在土中。今年 5 月發表在《羅馬考古學雜志》（Journal of Roman Archaeology）上的一項研究，對 20 世紀于西班牙科爾多瓦貝爾梅斯遺址出土的三塊鉛錠進行了詳細的檢測。
通過分析鉛錠的化學成分和穩定同位素，研究人員發現這三塊鉛錠產自同一個礦區，其中兩塊印有“SS”字母的鉛錠來自同一家采礦公司“Societas Sisaponensis”，該公司總部就位于科爾多瓦。對沉船鉛錠的檢測結果表明，有一半以上鉛錠都開采自這個礦區。最新的研究結果似乎進一步證實了科爾多瓦在古代地中海地區可能有著最重要的冶金網絡，也反映了當時可能的工業化水平。
鉛錠能幫考古學家串聯起地中海地區的歷史，顯然，他們恨不得將所有發現的鉛錠留在原處，或送往博物館穩妥保存，以待未來更深入地檢測和分析。但在一旁“窺視”的物理學家可并不這樣想，他們最想做的是將這些羅馬鉛錠熔化，用于探索宇宙的奧秘。
物理學中的鉛
1988 年，在報紙上讀到這艘巨大貨船的發現后，埃托雷·菲奧里尼（Ettore Fiorini）立即預見到這些鉛錠對物理學家（更準確地說，是粒子物理學家）的重要性。菲奧里尼是意大利米蘭比可卡大學（University of Milan-Bicocca）的物理學家，同時他也是罕見事件低溫地下觀測站（Cryogenic Underground Observatory for Rare Events，CUORE）的實驗協調員。
當時，意大利國家核物理研究所（INFN）正在格蘭薩索實驗室地下建造 CUORE 探測器。這項實驗的目標是尋找一種稱為無中微子雙 β 衰變的理論粒子衰變事件。標準的雙 β 衰變會釋放兩個中微子，但在無中微子雙 β 衰變事件中，原子核僅釋放兩個電子，而不釋放中微子。
即使是在理論上，無中微子雙 β 衰變事件也很罕見，我們從未觀測到過，但如果真能觀測到它，或許能測量中微子質量，解答中微子的反物質是否就是本身（馬約拉納中微子）的疑問，并可能揭示宇宙中物質-反物質分布不對稱之謎。
無中微子雙 β 衰變的費曼圖。圖片來源：CUORE/INFN
為了觀察到這一罕見的衰變事件，CUORE 的科學家需要在巖層下 1400 米深處建造重約 750 千克的二氧化碲立方體。由于這類事件極為罕見，信號更是非常微弱，這項實驗（以及類似實驗）必須嚴格隔絕一切外部放射性事件的影響，將背景的放射性控制在最低限度——這正是羅馬鉛的用武之地。
整個 CUORE 建在地下，被 1.4 千米厚的山脈巖層保護，以防受到宇宙中微子背景輻射的影響，但這遠遠不夠。因為用來保護實驗設施的巖層也有輕微的放射性，為此 CUORE 還需要一層嚴格屏蔽輻射的“盾牌”。鉛的原子核又大又重，因此只需要薄薄一層，便可以阻擋許多微小的粒子穿透。理想情況下，純凈的鉛適用于防輻射屏障。
CUORE 低溫恒溫探測器渲染圖，包括脈沖管、稀釋制冷裝置、內部低放射性現代和羅馬鉛屏蔽層，以及二氧化碲晶體陣列（淺藍色）。圖片來源：參考文獻[9]
但現實并不理想。自然界中新開采的所有鉛都含有一定量的放射性元素鈾-235，它會隨時間衰變為不穩定的同位素鉛-210，而它衰變為更穩定同位素的半衰期是 22 年。盡管加工鉛礦石的過程會去除大部分鈾，但已經存在的鉛-210 仍在經年累月地放出微弱輻射。顯然，現實中的鉛本身就成為了輻射的來源，根本無法直接用作粒子物理實驗的防輻射屏障。
然而，在水下沉寂上千年的鉛，經過漫長的時間，幾乎完全失去了天然的放射性，是屏蔽粒子探測器的完美材料。1991 年，INFN 團隊及合作者在一篇論文（菲奧里尼是共同作者）中詳細檢測了羅馬鉛的放射性，各種檢測手段表明，羅馬鉛中完全不含鉛-210，背景輻射水平只有現代鉛的約千分之一，是當時研究樣本中最佳的屏蔽材料。
2019年，一項發表于《歐洲物理雜志A》（The European Physical Journal A）的研究，用最新的低溫探測技術進一步檢測了羅馬鉛樣品的放射性純度，并報告了有史以來最低的鉛-210 測量限值。
“粒子物理學家經常尋找低放射性鉛，”菲奧里尼說道，“從古老教堂的屋頂，到沉船龍骨中提取的金屬經常用于實驗?！比欢?，撒丁島的發現無論從年代，還是從材料的豐富程度上，都前所未見。
考古學 VS 物理學
1991 年，菲奧里尼得知位于卡利亞里的考古機構沒有足夠的資金從海底打撈回全部鉛錠，他說服 INFN 的管理人員為這項行動捐款約 21 萬美元。作為交換，物理學家可以使用一部分回收的羅馬鉛。
20 世紀 90 年代，INFN 實驗使用了一些鉛錠。2010 年，格蘭卡索實驗室又從撒丁島的一家博物館“進貨”了 4 噸羅馬鉛。
鉛錠上印刻的銘文被切割并保存，余下的主體用于 CUORE 內部鉛屏蔽層。圖片來源：參考文獻[9]
卡利亞里博物館的考古學家表示，與這些鉛錠的分離非常痛苦。盡管交給 INFN 的鉛錠是保存狀況最差的，但依然具有非凡的歷史價值。好在物理學家會在熔化鉛錠前，會將印刻的銘文切下來，送回卡利亞里保存。而剩下的鉛錠會和之前的鉛一起，被熔鑄成 6 厘米厚的鉛襯里，包裹住 CUORE 探測器。
CUORE 內部鉛屏蔽層的右側視圖。圖片來源：參考文獻[9]
對于熔鑄這些具有歷史意義的鉛塊，許多考古學家都曾表示反對。文化和自然遺產管理學博士埃琳娜·佩雷斯-阿爾瓦羅（Elena Perez-Alvaro）曾質疑：“這些實驗是否重要到足以摧毀部分過去，以發現未來？”英國劍橋大學的物理學家 M.費爾南多·岡薩雷斯-扎爾巴（M. Fernando Gonzalez-Zalba）則表示：“這些實驗可以解釋宇宙最基本的一些特性，我認為是值得的?！?/p>
羅馬鉛并不是唯一符合敏感實驗要求的材料，古希臘文明也曾使用過這種建筑材料。希臘鉛更稀有，但羅馬鉛的供應也并不夠充足?？脊艑W家約翰·卡曼（John Carman）表示，如果物理學家的用法廣泛起來，考古學家可能會失去所有古羅馬鉛，從而失去它能提供的所有有關羅馬人的技術、文化、工業的信息。
針對這一爭端，并沒有明確的法律條文。2001 年聯合國教科文組織的《保護水下文化遺產公約》禁止對歷史沉船文物進行商業開發，但尚未明確是否適用于物理實驗。
遍尋無果
盡管不清楚具體細節，從結果來看，這一爭端最終在各方妥協下平息了——CUORE 團隊用將羅馬鉛重鑄成為了輻射屏蔽的盾牌，他們的實驗儀器已經于 2017 年開始采集數據，并在 2022 年公布了最新成果。很遺憾，他們并沒有找到無中微子雙 β 衰變的痕跡。
目前，INFN 正在嘗試將 CUORE 升級為 CUPID（CUORE Upgrade with Particle Identification），增加粒子識別的功能。對考古學家最好的消息是，這次升級不需要額外的羅馬鉛。
有趣的是，CUORE 的主要科學目標是尋找馬約拉納中微子的證據，但識別和測量低能事件的能力讓它也非常適合探索暗物質——各種尺度的天體物理學觀測表明，宇宙的 27% 是由未被發現的暗物質組成，但我們至今仍未能揭開“暗物質究竟是什么”的神秘面紗。
參考文獻
[1]https://cuore.lngs.infn.it/en/news
[2]https://www.lngs.infn.it/en/cupid
[3]https://wlab.yale.edu/news/ancient-roman-shipwreck-may-explain-universe-cuore-and-cupid-experiments-featured-scishow
[4]https://www.youtube.com/watch?v=o0A9M5wHBA4
[5]https://www.scientificamerican.com/article/roman-ingots-to-shield-detector/
[6]https://www.scientificamerican.com/article/ancient-roman-lead-physics-archaeology-controversy/
[7]https://scitechdaily.com/lost-treasures-of-rome-lead-ingots-unearthed-in-cordobas-ancient-mines/
[8]https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-roman-archaeology/article/la-societas-sisaponensis-los-lingotes-de-dona-ramabelmez-y-la-explotacion-minera-de-los-montes-de-corduba/390278955EB173651F606DBCD365AFE8
[9]https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4
策劃制作
來源丨環球科學（ID：huanqiukexue）
作者丨不周
責編丨鐘艷平
審校丨徐來 林林
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