作者：尼古拉·諾森戈
昨天，大約四噸古羅馬鉛從義大利撒丁島的一個博物館被運往義大利大陸格蘭薩索國家粒子物理實驗室。這些金屬原本註定要成為羅馬士兵使用的水管、硬幣或彈弓的彈藥，但現在將成為一項尖端實驗的一部分，旨在確定中微子的質量。
這120根鉛錠，每根重約33公斤，來自20年前從一艘羅馬沉船上打撈出的一批更大的貨物，這艘船是在公元前80年至公元前50年之間在撒丁島海岸附近沉沒的。這些鉛錠證明了古羅馬製造業和貿易能力的強大，對於考古學家來說具有巨大的價值，他們一直在撒丁島南部卡利亞里的國家考古博物館儲存和研究這些鉛錠。對於物理學家來說，這些鉛錠同樣有價值的原因是，在過去的2000年裡，鉛幾乎完全失去了其天然放射性。因此，它是遮蔽CUORE（低溫地下稀有事件觀測站）探測器的完美材料，義大利國家核物理研究所（INFN）正在格蘭薩索實驗室建造該探測器。
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CUORE將於明年開始執行，它將研究中微子：這是一種不帶電荷的基本粒子，長期以來一直被認為沒有質量。研究人員已經證實中微子確實有質量，但一直無法確定其具體數值。該實驗的目的是使用探測器嘗試觀察一種理論上的原子事件，稱為無中微子雙β衰變——一種放射性過程，原子核釋放出兩個電子，但不釋放中微子。“標準”雙β衰變伴隨著兩個中微子的釋放。透過觀察這種預測但迄今為止尚未被觀察到的事件，物理學家們希望估計中微子的質量，並確定中微子和它們的反物質對應物——反中微子——是否是不同的粒子。有些人認為兩者是相同的。
沉沒的寶藏
CUORE科學家將等待無中微子雙β衰變發生在放置在格蘭薩索實驗室地下1400米岩層中的750公斤二氧化碲立方體中。但是，為了成功觀察到這種罕見事件，他們需要遮蔽實驗，使其免受外部放射性的影響。
這就是沉船鉛錠的用武之地。原則上，鉛可以遮蔽輻射，但新開採的鉛本身也略帶放射性，因為它含有一種不穩定的同位素鉛-210。“我們永遠無法將其用於我們的實驗，因為我們的實驗正是為了將背景放射性降至最低，”米蘭-比可卡大學物理學家、CUORE實驗協調員埃託雷·菲奧里尼說。然而，從地下提取出來後，鉛-210會衰變成更穩定的同位素，放射性同位素的濃度每22年減半。羅馬鉛錠中的鉛現在幾乎失去了所有放射性痕跡。
這些鉛錠抵達格蘭薩索，要歸功於一項可以追溯到1991年的協議。1988年，一名潛水員在距奧里斯塔諾一英里半、距撒丁島海岸僅一英里多的28米深處發現了這艘船的殘骸。菲奧里尼回憶起在報紙上讀到這一發現，並立即預見到它對物理學家的價值。
他說：“粒子物理學家去尋找低放射性鉛並不罕見。”“從古老教堂的屋頂或沉船的龍骨中提取的金屬經常被用於實驗。”但撒丁島的發現是前所未有的，無論是在材料的年代還是數量上。
痛苦的離別
這艘船實際上是一艘navis oneraria magna，一種專門的貨船，通常用於運輸鉛或其他金屬等重物。它載有1000多根鉛錠，或33噸金屬。鑑於當時羅馬正處於內戰時期，並且該船裝載了彈弓彈藥，考古學家認為，該船的大部分鉛可能註定要成為彈丸。他們還認為，這艘船是船長下令故意擊沉的，以防止被敵軍奪取：它仍然拋錨，並且離海岸足夠近，船員可以游到岸邊。
當菲奧里尼得知卡利亞里的考古監管局（一個負責監督遺產專案的政府機構）沒有足夠的資金來打撈所有鉛錠時，他說服INFN管理人員出資3億里拉（21萬美元）用於這項於1991年完成的行動。作為交換，一部分回收的鉛將可供物理學家使用。一些鉛錠在1990年代的實驗中使用過，但菲奧里尼說，CUORE才是他最初提出這項交易時的想法。
在格蘭薩索，這些鉛錠將被熔化成3釐米厚的鉛襯裡，這將環繞立方體CUORE探測器。在鉛錠被熔化之前，每根鉛錠上的銘文將被移除並送回卡利亞里進行儲存。“它們是商標，上面刻有提取和交易鉛的各個公司的名稱，”卡利亞里博物館的考古學家多納泰拉·薩爾維解釋說。
薩爾維說，與鉛錠的分離是“痛苦的”。提供給INFN的鉛錠是儲存最差的，但仍然具有特殊的歷史價值。然而，她說她對這次合作感到滿意，因為物理學家正在對鉛進行重要的分析。例如，菲奧里尼的團隊幫助考古學家解決了關於船舶航線的爭論。最初有人提出，它的鉛可能來自撒丁島礦石，但薩爾維對此表示懷疑。“當時的羅馬人更喜歡儲存他們認為具有戰略意義的義大利礦石，而是從北非、西班牙和英國開採了他們的大部分鉛，”她說。透過研究鉛中特定的同位素混合物——這是其產地的標誌——INFN物理學家已經證實薩爾維是對的。這些鉛錠來自西班牙南部的卡塔赫納山脈。