In einem antiken römischen Schiffswrack wurde eine große Menge Metall gefunden, und Archäologen und Physiker streiten darum …

Im Jahr 1988 tauchten Taucher etwa 10 Kilometer vor der Küste Sardiniens in Italien auf den Meeresgrund, um die Überreste eines Schiffswracks zu finden. Als sie in eine Tiefe von 28 Metern tauchten, entdeckten sie plötzlich die Umrisse eines gesunkenen Schiffes.

Seit Beginn des Segelzeitalters haben die Ozeane unzählige Schiffe verschluckt. Diese Schiffswracks enthalten Schätze und Geschichte aus verschiedenen Epochen. Jeder Fund eines solchen Exemplars weckt bei Meeresarchäologen großes Interesse , da es für sie der beste Hinweis zur Rekonstruktion der Vergangenheit ist.

Aufgrund der Form der Tongefäße auf dem Schiff kamen die Archäologen zu dem Schluss, dass es sich um ein antikes römisches Schiffswrack handelte. Die antike römische Zivilisation reicht mehr als zweitausend Jahre zurück. Die meisten Holzkonstruktionen wurden durch die Zeit und das Meerwasser zerstört, einige korrosionsbeständige Stein- und Metallprodukte sind jedoch noch gut erhalten. Obwohl es nicht ungewöhnlich ist, auf dem Meeresboden vor Italien antike römische Schiffswracks zu finden, ist dieses hier etwas Besonderes. Es ist viel größer und stabiler als die meisten.

Aus Schiffswracks vor Sardinien geborgene Bleibarren. Bildquelle: Referenz [9]

Archäologen entdeckten den Grund für die Stärke des Schiffes: Es war mit einer großen Zahl Metallbarren beladen, darunter über tausend Bleibarren oder etwa 33 Tonnen Metall. Dies war die größte Menge, die jemals bei einer Schiffswrackausgrabung gefunden wurde. Archäologen sind zweifellos sehr überrascht von diesen schweren „Schätzen“! Verdächtigerweise sind die Physiker ebenso aufgeregt.

Führung in der Archäologie

Jeder dieser Bleibarren hat eine etwa trapezförmige Form, ist 45 cm lang und wiegt etwa 33 kg. Sie waren also bei ihrer Entdeckung noch ordentlich gestapelt.

Blei war im alten Rom ein sehr wichtiges Metall und wurde zu Wasserleitungen, Münzen, Waffen oder Gebäudestrukturen verarbeitet. Obwohl der genaue Zweck nicht ermittelt werden kann, bestätigt die Entdeckung dieser großen Zahl an Bleibarren auch die starken Fertigungskapazitäten und den entwickelten wirtschaftlichen Handel des antiken Roms. Inschriften und Markenzeichen auf Bleibarren ermöglichen Archäologen außerdem Einblicke in die technologische, industrielle und kulturelle Geschichte untergegangener Zivilisationen.

Antike römische Bleiwasserleitung (1. Jahrhundert), fotografiert im Grosvenor Museum. Bildnachweis: Wolfgang Sauber/Wikipedia

Die meisten der antiken Bleibarren wurden aus Schiffswracks in der Tiefsee geborgen, einige wurden jedoch auch im Boden vergraben. Im Rahmen einer im Mai dieses Jahres im Journal of Roman Archaeology veröffentlichten Studie wurden drei Bleibarren, die im 20. Jahrhundert an der Ausgrabungsstätte Belmez im spanischen Córdoba ausgegraben wurden, eingehend untersucht.

Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung und der stabilen Isotope der Bleibarren fanden die Forscher heraus, dass die drei Bleibarren aus demselben Bergbaugebiet stammten. Zwei der mit den Buchstaben „SS“ bedruckten Bleibarren stammten von derselben Bergbaugesellschaft, der „Societas Sisaponensis“, die ihren Hauptsitz in Córdoba hat. Die Untersuchungsergebnisse der Bleibarren aus dem Schiffswrack zeigten, dass mehr als die Hälfte der Bleibarren aus diesem Abbaugebiet stammten. Die neuesten Forschungsergebnisse scheinen weiter zu bestätigen, dass Córdoba möglicherweise über das bedeutendste metallurgische Netzwerk im antiken Mittelmeerraum verfügte, und spiegeln auch den möglichen Grad der Industrialisierung zu dieser Zeit wider.

Bleibarren können Archäologen dabei helfen, die Geschichte des Mittelmeerraums zusammenzusetzen . Offensichtlich möchten sie alle Bleibarren, die sie finden, in ihrem Originalzustand belassen oder sie zur sicheren Aufbewahrung an Museen schicken, bis sie in Zukunft eingehenderen Tests und Analysen unterzogen werden. Aber die Physiker , die von außen „hinschauten“, waren anderer Meinung. Ihr größter Wunsch war es, diese römischen Bleibarren einzuschmelzen und damit die Geheimnisse des Universums zu erforschen.

Blei in der Physik

Als Ettore Fiorini 1988 in einer Zeitung von der Entdeckung dieses riesigen Frachtschiffs las, erkannte er sofort die Bedeutung dieser Bleibarren für die Physiker (genauer gesagt die Teilchenphysiker). Fiorini ist Physiker an der Universität Mailand-Bicocca in Italien und experimenteller Koordinator des Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE).

Zu dieser Zeit baute das italienische Nationale Institut für Kernphysik (INFN) den CUORE-Detektor unterirdisch im Gran Sasso-Labor. Ziel des Experiments ist die Suche nach einem theoretischen Teilchenzerfallsereignis namens neutrinoloser doppelter Betazerfall . Beim normalen Doppelbetazerfall werden zwei Neutrinos freigesetzt, bei einem neutrinolosen Doppelbetazerfall setzt der Atomkern jedoch nur zwei Elektronen und keine Neutrinos frei.

Selbst in der Theorie sind neutrinolose Doppelbetazerfälle selten und wir haben sie noch nie beobachtet. Könnten wir sie jedoch tatsächlich beobachten, könnten wir die Masse der Neutrinos messen, die Frage beantworten, ob die Antimaterie der Neutrinos sie selbst sind (Majorana-Neutrinos) und möglicherweise das Geheimnis der asymmetrischen Verteilung von Materie und Antimaterie im Universum lüften.

Feynman-Diagramm für den neutrinolosen Doppelbetazerfall. Bildnachweis: CUORE/INFN

Um dieses seltene Zerfallsereignis zu beobachten, mussten die Wissenschaftler von CUORE in einer Tiefe von 1.400 Metern unter dem Gestein einen etwa 750 Kilogramm schweren Tellurdioxidwürfel bauen. Da solche Ereignisse äußerst selten sind und das Signal äußerst schwach ist, muss dieses Experiment (und ähnliche Experimente) strikt vom Einfluss jeglicher externer radioaktiver Ereignisse isoliert werden und die Hintergrundradioaktivität muss auf ein Minimum beschränkt werden – hier kommt römisches Blei ins Spiel.

Das gesamte CUORE ist unterirdisch gebaut und durch eine 1,4 Kilometer dicke Gebirgsschicht geschützt, um es vor der kosmischen Neutrino-Hintergrundstrahlung zu schützen. Dies reicht jedoch bei weitem nicht aus. Da auch die zum Schutz der Versuchsanlagen verwendeten Gesteinsformationen leicht radioaktiv sind, ist für CUORE zusätzlich ein „Schild“ erforderlich, der die Strahlung strikt abschirmt. Bleikerne sind groß und schwer, sodass bereits eine dünne Schicht ausreicht, um das Eindringen vieler winziger Partikel zu verhindern. Reines Blei eignet sich idealerweise für den Einsatz im Strahlenschutz.

Darstellung des CUORE-Kryostatdetektors, einschließlich Pulsrohr, Verdünnungskühleinheit, interner schwach radioaktiver moderner und römischer Bleiabschirmung und Tellurdioxid-Kristallanordnung (hellblau). Bildquelle: Referenz [9]

Aber die Realität ist nicht ideal. Alles in der Natur abgebaute Blei enthält eine gewisse Menge des radioaktiven Elements Uran-235, das mit der Zeit in das instabile Isotop Blei-210 zerfällt, dessen Halbwertszeit 22 Jahre beträgt, bis es in das stabilere Isotop zerfällt. Obwohl bei der Verarbeitung von Bleierz der größte Teil des Urans entfernt wird, gibt das bereits vorhandene Blei-210 über die Jahre hinweg immer noch eine schwache Strahlung ab. Offensichtlich wird Blei in der Realität selbst zu einer Strahlungsquelle und kann nicht direkt als Strahlungsschild in Teilchenphysik-Experimenten verwendet werden.

Allerdings hat Blei, das über Tausende von Jahren in Wasser gelagert wurde , im Laufe der Zeit seine natürliche Radioaktivität fast vollständig verloren und ist daher ein ideales Material zur Abschirmung von Teilchendetektoren. Im Jahr 1991 führten das INFN-Team und seine Mitarbeiter in einem Artikel (Fiorini war Mitautor) detaillierte Tests zur Radioaktivität von römischem Blei durch. Verschiedene Nachweismethoden zeigten, dass römisches Blei überhaupt kein Blei-210 enthielt und die Hintergrundstrahlung nur etwa ein Tausendstel der von modernem Blei betrug, was es unter den damaligen Forschungsproben zum besten Abschirmmaterial machte.

Im Jahr 2019 wurde in einer im European Physical Journal A veröffentlichten Studie die radioaktive Reinheit römischer Bleiproben mithilfe der neuesten Niedrigtemperatur-Erkennungstechnologie weiter getestet und der niedrigste Messgrenzwert für Blei-210 aller Zeiten festgestellt.

„Teilchenphysiker suchen oft nach schwach radioaktivem Blei“, sagte Fiorini. „Das Metall wird oft aus den Dächern alter Kirchen und den Kielen gesunkener Schiffe gewonnen und für Experimente verwendet.“ Der Fund auf Sardinien ist jedoch sowohl hinsichtlich seines Alters als auch hinsichtlich der Reichhaltigkeit des Materials beispiellos.

Archäologie vs. Physik

Als Fiorini 1991 erfuhr, dass das archäologische Institut in Cagliari nicht über genügend Geld verfügte, um alle Bleibarren vom Meeresboden zu bergen, überredete er die INFN-Manager, rund 210.000 Dollar für das Projekt zu spenden. Im Gegenzug könnten die Physiker einen Teil des recycelten römischen Bleis verwenden.

In den 1990er Jahren wurden bei INFN-Experimenten einige Bleibarren verwendet. Im Jahr 2010 „kaufte“ das Grancastle-Labor weitere 4 Tonnen römisches Blei aus einem Museum auf Sardinien.

Die auf den Bleibarren geprägten Inschriften wurden ausgeschnitten und konserviert, die verbleibende Masse wurde für die Bleiabschirmung im Inneren der CUORE verwendet. Bildquelle: Referenz [9]

Archäologen des Cagliari-Museums sagten, die Trennung von diesen Bleibarren sei sehr schmerzhaft gewesen. Obwohl die an das INFN übergebenen Bleibarren im schlechtesten Zustand waren, besitzen sie dennoch einen außerordentlichen historischen Wert. Glücklicherweise schnitten die Physiker die eingravierte Inschrift heraus, bevor sie den Bleibarren einschmolzen, und schickten ihn zur Konservierung nach Cagliari zurück. Die verbleibenden Bleibarren werden zusammen mit dem vorherigen Blei eingeschmolzen, um eine 6 cm dicke Bleiauskleidung zu bilden, die den CUORE-Detektor umhüllt.

Rechte Seitenansicht der internen Bleiabschirmung des CUORE. Bildquelle: Referenz [9]

Viele Archäologen haben sich gegen das Einschmelzen dieser historisch bedeutsamen Bleiblöcke ausgesprochen. Elena Perez-Alvaro, Doktorin für Kultur- und Naturerbemanagement, stellte einmal die Frage: „Sind diese Experimente wichtig genug, um einen Teil der Vergangenheit zu zerstören, um die Zukunft zu entdecken?“ M. Fernando Gonzalez-Zalba, Physiker an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, sagte: „Diese Experimente können einige der grundlegendsten Eigenschaften des Universums erklären. Ich denke, es ist die Mühe wert.“

Römisches Blei ist nicht das einzige Material, das die Anforderungen für sensible Experimente erfüllt; Auch die antike griechische Zivilisation verwendete dieses Baumaterial. Griechisches Blei war seltener, aber auch römisches Blei war nicht im Überfluss vorhanden. Der Archäologe John Carman warnt, dass bei einer weitverbreiteten Verwendung von Blei durch Physiker die Archäologen möglicherweise alles antike römische Blei und damit auch alle Informationen verlieren würden, die es über die römische Technologie, Kultur und Industrie liefern könnte.

Es gibt keine klaren gesetzlichen Regelungen zu diesem Streit. Das UNESCO-Übereinkommen zum Schutz des Unterwasser-Kulturerbes aus dem Jahr 2001 verbietet die kommerzielle Nutzung historischer Schiffswrackartefakte. Ob dies auch für physikalische Experimente gilt, ist noch nicht geklärt.

Suche ohne Ergebnisse

Obwohl die genauen Einzelheiten unklar sind, konnte der Streit den Ergebnissen zufolge letztlich durch einen Kompromiss zwischen allen Parteien beigelegt werden: Das CUORE-Team goss aus römischem Blei Strahlenschutzschilde, seine experimentellen Instrumente begannen 2017 mit der Datenerfassung und gaben 2022 die neuesten Ergebnisse bekannt. Leider fanden sie keine Spur eines neutrinolosen Doppelbetazerfalls.

Derzeit versucht INFN, CUORE auf CUPID (CUORE-Upgrade mit Partikelidentifikation) zu aktualisieren, um Funktionen zur Partikelidentifikation hinzuzufügen. Die beste Nachricht für Archäologen ist, dass für diese Aufrüstung kein zusätzliches römisches Blei erforderlich war.

Interessanterweise besteht das primäre wissenschaftliche Ziel von CUORE zwar in der Suche nach Hinweisen auf Majorana-Neutrinos, aufgrund seiner Fähigkeit, Ereignisse mit niedriger Energie zu identifizieren und zu messen, eignet es sich aber auch gut für die Erforschung dunkler Materie. Astrophysikalische Beobachtungen auf verschiedenen Skalen legen nahe, dass 27 % des Universums aus unentdeckter dunkler Materie bestehen, doch das Rätsel, was dunkle Materie ist, müssen wir noch lösen.

Verweise

[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

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Bu Zhou

Herausgeber: Zhong Yanping

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin