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考古学家：有没有人管管这帮物理学家！


1988 年，在距离意大利撒丁岛海岸约 10 千米处的海底，潜水员正不断下潜，试图寻找沉船遗迹。当他们下潜到 28 米深处，突然发现了一艘沉船的轮廓。

自航海时代开启以来，海洋已经吞噬了无数船只。这些沉船封存着不同年代的宝藏与历史，每发现一艘都会引起海洋考古学家的极大兴趣，这是他们重现过去的最佳线索。

通过船上陶罐的形状，考古学家判定，这是一艘古罗马沉船。古罗马文明距今已有两千多年，时间和海水摧毁了大部分木质结构，但一些耐腐蚀的石器与金属制品依然保存完好。尽管在意大利附近的海底发现古罗马沉船不足为奇，这艘船却很特别，它比绝大部分沉船要大得多，也坚固得多。

从撒丁岛海域的沉船遗迹回收铅锭。图片来源：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4

考古学家发现了这艘船如此坚固的原因——船内装载了大量金属条，足足一千多块铅锭，也就是约 33 吨的金属，是当时在沉船发掘中最多的一次。对于这些沉甸甸的“宝藏”，考古学家无疑十分惊喜！可疑的是，物理学家也同样兴奋。

考古学中的铅

这些铅锭每一块都大致呈梯形，长 45 厘米，重约 33 千克，因此被发现时依然码放地整整齐齐。铅在古罗马是非常重要的金属，会被铸成水管、硬币、武器或建筑结构等。虽然无法明确具体用途，但这一大批铅锭的发现也证实了古罗马制造能力的强大以及经济贸易的发达。铅锭上印刻的铭文商标，也让考古学家得以窥探失落文明的技术、工业和文化史。

古罗马铅水管（1世纪），摄于格罗夫那博物馆。图片来源：Wolfgang Sauber/Wikipedia

古代铅锭多是从深海沉船打捞出来的，但也有一些铅锭被掩埋在土中。2024 年 5 月发表在《罗马考古学杂志》（Journal of Roman Archaeology）上的一项研究，对20 世纪于西班牙科尔多瓦贝尔梅斯遗址出土的三块铅锭进行了详细的检测。通过分析铅锭的化学成分和稳定同位素，研究人员发现这三块铅锭产自同一个矿区，其中两块印有“SS”字母的铅锭来自同一家采矿公司“Societas Sisaponensis”，该公司总部就位于科尔多瓦。对沉船铅锭的检测结果表明，有一半以上铅锭都开采自这个矿区。最新的研究结果似乎进一步证实了科尔多瓦在古代地中海地区可能有着最重要的冶金网络，也反映了当时可能的工业化水平。

铅锭能帮考古学家串联起地中海地区的历史，显然，他们恨不得将所有发现的铅锭留在原处，或送往博物馆稳妥保存，以待未来更深入地检测和分析。但在一旁“窥视”的物理学家克并不这样想，他们最想做的是将这些罗马铅锭熔化，用于探索宇宙的奥秘。

物理学中的铅

1988 年，在报纸上读到这艘巨大货船的发现后，埃托雷·菲奥里尼（Ettore Fiorini）立即预见到这些铅锭对物理学家（更准确地说，是粒子物理学家）的重要性。菲奥里尼是意大利米兰比可卡大学（University of Milan-Bicocca）的物理学家，同时他也是罕见事件低温地下观测站（Cryogenic Underground Observatory for Rare Events，CUORE）的实验协调员。

当时，意大利国家核物理研究所（INFN）正在格兰萨索实验室地下建造 CUORE 探测器。这项实验的目标是寻找一种称为无中微子双 β 衰变的理论粒子衰变事件。标准的双 β 衰变会释放两个中微子，但在无中微子双 β 衰变事件中，原子核仅释放两个电子，而不释放中微子。即使是在理论上，无中微子双 β 衰变事件也很罕见，我们从未观测到过，但如果真能观测到它，或许能测量中微子质量，解答中微子的反物质是否就是本身（马约拉纳中微子）的疑问，并可能揭示宇宙中物质-反物质分布不对称之谜。

无中微子双β衰变的费曼图。图片来源：CUORE/INFN

为了观察到这一罕见的衰变事件，CUORE 的科学家需要在岩层下 1400 米深处建造重约 750 千克的二氧化碲立方体。由于这类事件极为罕见，信号更是非常微弱，这项实验（以及类似实验）必须严格隔绝一切外部放射性事件的影响，将背景的放射性控制在最低限度——这正是罗马铅的用武之地。

整个 CUORE 建在地下，被 1.4 千米厚的山脉岩层保护，以防受到宇宙中微子背景辐射的影响，但这远远不够。因为用来保护实验设施的岩层也有轻微的放射性，为此CUORE 还需要一层严格屏蔽辐射的“盾牌”。铅的原子核又大又重，因此只需要薄薄一层，便可以阻挡许多微小的粒子穿透。理想情况下，纯净的铅适用于防辐射屏障。

CUORE 低温恒温探测器渲染图，包括脉冲管、稀释制冷装置、内部低放射性现代和罗马铅屏蔽层，以及二氧化碲晶体阵列（浅蓝色）。图片来源：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4

但现实并不理想。自然界中新开采的所有铅都含有一定量的放射性元素铀-235，它会随时间衰变为不稳定的同位素铅-210，而它衰变为更稳定同位素的半衰期是22年。尽管加工铅矿石的过程会去除大部分铀，但已经存在的铅-210 仍在经年累月地放出微弱辐射。显然，现实中的铅本身就成为了辐射的来源，根本无法直接用作粒子物理实验的防辐射屏障。

然而，在水下沉寂上千年的铅，经过漫长的时间，几乎完全失去了天然的放射性，是屏蔽粒子探测器的完美材料。1991 年，INFN 团队及合作者在一篇论文（菲奥里尼是共同作者）中详细检测了罗马铅的放射性，各种检测手段表明，罗马铅中完全不含铅-210，背景辐射水平只有现代铅的约千分之一，是当时研究样本中最佳的屏蔽材料。

2019年，一项发表于《欧洲物理杂志A》（The European Physical Journal A）的研究，用最新的低温探测技术进一步检测了罗马铅样品的放射性纯度，并报告了有史以来最低的铅-210 测量限值。

“粒子物理学家经常寻找低放射性铅，”菲奥里尼说到，“从古老教堂的屋顶，到沉船龙骨中提取的金属经常用于实验。”然而，撒丁岛的发现无论从年代，还是从材料的丰富程度上，都前所未见。

考古学 VS 物理学

1991 年，菲奥里尼得知位于卡利亚里的考古机构没有足够的资金从海底打捞回全部铅锭，他说服 INFN 的管理人员为这项行动捐款约 21 万美元。作为交换，物理学家可以使用一部分回收的罗马铅。20 世纪 90 年代，INFN 实验使用了一些铅锭。2010 年，格兰卡索实验室又从撒丁岛的一家博物馆“进货”了 4 吨罗马铅。

铅锭上印刻的铭文被切割并保存，余下的主体用于CUORE内部铅屏蔽层。图片来源：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4

卡利亚里博物馆的考古学家表示，与这些铅锭的分离非常痛苦。尽管交给 INFN 的铅锭是保存状况最差的，但依然具有非凡的历史价值。好在物理学家会在熔化铅锭前，会将印刻的铭文切下来，送回卡利亚里保存。而剩下的铅锭会和之前的铅一起，被熔铸成 6 厘米厚的铅衬里，包裹住 CUORE 探测器。

CUORE 内部铅屏蔽层的右侧视图。图片来源：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4

对于熔铸这些具有历史意义的铅块，许多考古学家都曾表示反对。文化和自然遗产管理学博士埃琳娜·佩雷斯-阿尔瓦罗（Elena Perez-Alvaro）曾质疑：“这些实验是否重要到足以摧毁部分过去，以发现未来？”英国剑桥大学的物理学家M.费尔南多·冈萨雷斯-扎尔巴（M. Fernando Gonzalez-Zalba）则表示：“这些实验可以解释宇宙最基本的一些特性，我认为是值得的。”

罗马铅并不是唯一符合敏感实验要求的材料，古希腊文明也曾使用过这种建筑材料。希腊铅更稀有，但罗马铅的供应也并不够充足。考古学家约翰·卡曼（John Carman）表示，如果物理学家的用法广泛起来，考古学家可能会失去所有古罗马铅，从而失去它能提供的所有有关罗马人的技术、文化、工业的信息。

针对这一争端，并没有明确的法律条文。2001 年联合国教科文组织的《保护水下文化遗产公约》禁止对历史沉船文物进行商业开发，但尚未明确是否适用于物理实验。

遍寻无果

尽管不清楚具体细节，从结果来看，这一争端最终在各方妥协下平息了——CUORE团队用将罗马铅重铸成为了辐射屏蔽的盾牌，他们的实验仪器已经于2017年开始采集数据，并在 2022 年公布了最新成果。很遗憾，他们并没有找到无中微子双β衰变的痕迹。目前，INFN 正在尝试将 CUORE 升级为 CUPID（CUORE Upgrade with Particle Identification），增加粒子识别的功能。对考古学家最好的消息是，这次升级不需要额外的罗马铅。

暗物质理论寻宝图。图片来源：《环球科学》10月刊

有趣的是，CUORE 的主要科学目标是寻找马约拉纳中微子的证据，但识别和测量低能事件的能力让它也非常适合探索暗物质——各种尺度的天体物理学观测表明，宇宙的27%是由未被发现的暗物质组成，但我们至今仍未能揭开“暗物质究竟是什么”的神秘面纱。《环球科学》2024 年 10 月刊的文章《暗物质的下一张寻宝图》就讲述了这个话题。

如何屏蔽宇宙的辐射，也是暗物质探测所面临的挑战之一。《暗物质的下一张寻宝图》同时附带了《环球科学》与四川锦屏粒子和天体物理氙探测器（PandaX）首席科学家刘江来的对话，他们的实验同样面临放射性的困扰，他们的探测器几乎相当于世界上最灵敏的放射性探测器，探测器中的零件同时需要尽可能没有放射性，这也给他们的寻找暗物质带来了一些挑战。