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

Seit Beginn des Segelzeitalters haben die Meere unzählige Schiffe verschlungen. Diese Schiffswracks bergen Schätze und Geschichten aus verschiedenen Epochen, und jedes einzelne gefundene Wrack wird für Meeresarchäologen von großem Interesse sein, da es der beste Hinweis auf ihre Nachbildung der Vergangenheit ist.

Anhand der Form der Tontöpfe des Schiffes stellten Archäologen fest, dass es sich um ein antikes römisches Schiffswrack handelte. Die antike römische Zivilisation ist mehr als 2.000 Jahre alt und die Zeit und das Meer zerstörten die meisten Holzkonstruktionen, einige korrosionsbeständige Steinwerkzeuge und Metallgegenstände sind jedoch noch intakt. Obwohl es nicht verwunderlich ist, dass auf dem Meeresboden in der Nähe von Italien ein antikes römisches Schiffswrack gefunden wurde, ist dieses Schiff etwas Besonderes, es ist viel größer und stärker als die meisten Wracks.

Archäologen fanden den Grund heraus, warum das Schiff so stark war – es war mit einer großen Anzahl von Metallstangen, mehr als tausend Bleibarren oder etwa 33 Tonnen Metall beladen, die größte Anzahl von Schiffswrackgrabungen zu dieser Zeit. Über diese schweren „Schätze“ sind Archäologen zweifellos sehr überrascht! Verdächtigerweise sind die Physiker genauso aufgeregt.

Führend in der Archäologie

Jeder dieser Barren ist ungefähr trapezförmig, 45 Zentimeter lang und wiegt etwa 33 Kilogramm, sodass sie bei ihrem Fund noch ordentlich gestapelt waren.

Blei war im antiken Rom ein wichtiges Metall und wurde in Rohre, Münzen, Waffen oder Bauwerke gegossen. Obwohl der genaue Zweck dieser großen Menge Bleibarren nicht klar ist, bestätigt die Entdeckung dieser großen Anzahl von Bleibarren auch die Stärke der Produktionskapazitäten des antiken Roms und die Entwicklung des wirtschaftlichen Handels. Die Inschrift auf dem Bleibarren ermöglicht Archäologen auch einen Blick in die Technologie-, Industrie- und Kulturgeschichte untergegangener Zivilisationen.

Die meisten der antiken Bleibarren wurden aus Schiffswracks in der Tiefsee geborgen, einige wurden aber auch in der Erde vergraben. Eine im Mai im Journal of Roman Archaeology veröffentlichte Studie untersuchte detailliert drei Bleibarren, die an der Stätte Belmes aus dem 20. Jahrhundert in Córdoba, Spanien, ausgegraben wurden.

Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung und der stabilen Isotope der Bleibarren stellten die Forscher fest, dass die drei Bleibarren im selben Bergbaugebiet hergestellt wurden und zwei der Bleibarren mit den Buchstaben „SS“ von derselben Bergbaugesellschaft stammten. „Societas Sisaponensis“ mit Sitz in Córdoba. Tests der Barren des Schiffswracks ergaben, dass mehr als die Hälfte der Barren aus dieser Mine abgebaut wurden. Die neuesten Erkenntnisse scheinen weiter zu bestätigen, dass Córdoba möglicherweise über das wichtigste metallurgische Netzwerk im antiken östlichen Mittelmeerraum verfügte, was den Grad der möglichen Industrialisierung zu dieser Zeit widerspiegelt.

Bleibarren können Archäologen helfen, die Geschichte des östlichen Mittelmeerraums zu verbinden, und offenbar sind sie bestrebt, alle gefundenen Barren an ihrem Platz zu lassen oder sie zur weiteren Untersuchung und Analyse an Museen zu schicken. Aber die Physiker, die am Rande „guckten“, glaubten das nicht, und ihr größter Wunsch war, diese römischen Bleibarren einzuschmelzen und damit die Geheimnisse des Universums zu erforschen.

Führend in der Physik

Als Ettore Fiorini 1988 in den Zeitungen von der Entdeckung dieses riesigen Frachtschiffs las, erkannte er sofort die Bedeutung dieser Bleibarren für Physiker (oder genauer: 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. Das Ziel dieses Experiments besteht darin, ein theoretisches Teilchenzerfallsereignis zu finden, das als neutrinofreier β-Zerfall bezeichnet wird. Bei einem normalen β-Zerfall werden zwei Neutrinos freigesetzt, bei einem neutrinofreien β-Zerfall setzt der Kern jedoch nur zwei Elektronen und keine Neutrinos frei.

Selbst theoretisch sind neutrinofreie binäre β-Zerfallsereignisse selten und wir haben sie nie beobachtet, aber wenn sie beobachtet würden, könnten sie die Neutrinomasse messen, die Frage beantworten, ob Neutrino-Antimaterie sie selbst ist (Majorana-Neutrino), und vielleicht enthüllen das Geheimnis der Asymmetrie in der Verteilung von Materie und Antimaterie im Universum.

Um dieses seltene Zerfallsereignis zu beobachten, mussten die Wissenschaftler von CUORE einen etwa 750 Kilogramm schweren Tellurdioxidwürfel in einer Tiefe von 1.400 Metern unter der Felsformation bauen. Aufgrund der Seltenheit solcher Ereignisse und des sehr schwachen Signals musste dieses Experiment (und ähnliche Experimente) streng von allen externen radioaktiven Ereignissen isoliert werden, um die Hintergrundradioaktivität auf ein Minimum zu beschränken – und hier kommt römisches Blei ins Spiel.

Das gesamte CUORE ist unter der Erde gebaut und durch 1,4 Kilometer lange Gebirgsfelsformationen vor der Hintergrundstrahlung kosmischer Neutrinos geschützt, aber das reicht nicht aus. Da die zum Schutz der Anlage verwendeten Felsformationen ebenfalls leicht radioaktiv sind, benötigte CUORE außerdem einen „Schild“, der streng vor Strahlung abgeschirmt ist. Der Kern von Blei ist groß und schwer, daher bedarf es nur einer dünnen Schicht, um das Eindringen vieler kleiner Partikel zu verhindern. Idealerweise eignet sich reines Blei für den Einsatz in Strahlungsbarrieren.

Aber die Realität ist nicht ideal. Alles neu geförderte Blei in der Natur enthält eine bestimmte Menge des radioaktiven Elements Uran-235, das im Laufe der Zeit in das instabile Isotop Blei-210 zerfällt, während die Halbwertszeit für den Zerfall in ein stabileres Isotop 22 Jahre beträgt. Obwohl bei der Verarbeitung von Bleierz der größte Teil des Urans entfernt wird, emittiert das bereits vorhandene Blei-210 im Laufe der Jahre immer noch schwache Strahlung. Offensichtlich ist Blei in der Realität selbst eine Strahlungsquelle und kann nicht direkt als Strahlungsbarriere für Experimente in der Teilchenphysik verwendet werden.

Allerdings hat Blei, das seit Jahrtausenden unter Wasser schweigt, im Laufe der Zeit seine natürliche Radioaktivität fast vollständig verloren, was es zum perfekten Material zur Abschirmung von Teilchendetektoren macht. Im Jahr 1991 untersuchten das INFN-Team und seine Mitarbeiter die Radioaktivität von römischem Blei im Detail in einer Arbeit (Fiorini war Co-Autor) und verschiedene Nachweismethoden zeigten, dass römisches Blei überhaupt kein Blei-210 enthielt, und die Hintergrundstrahlungswerte betrug nur etwa ein Tausendstel des heutigen Bleis und war damit das beste Abschirmmaterial in den damaligen Forschungsproben.

Im Jahr 2019 testete eine im European Physical Journal A veröffentlichte Studie die Radioaktivitätsreinheit von Bleiproben aus Rom mit der neuesten Kryo-Detektionstechnologie weiter und meldete den niedrigsten Grenzwert aller Zeiten für Pb-210-Messungen.

„Teilchenphysiker suchen oft nach Blei in geringer Konzentration“, sagt Fiorini, „von den Dächern alter Kirchen bis hin zu Metallen, die aus den Kielen von Schiffswracks gewonnen werden und oft in Experimenten verwendet werden.“ „Die Entdeckungen auf Sardinien sind jedoch beispiellos , sowohl was das Alter als auch den Reichtum des Materials betrifft.

Archäologie vs. Physik

Im Jahr 1991 erfuhr Fiorini, dass die archäologische Einrichtung in Cagliari nicht über genügend Mittel verfügte, um alle Bleibarren aus dem Meeresboden zu bergen, und überredete die INFN-Manager, etwa 210.000 US-Dollar für die Operation zu spenden. Im Gegenzug könnten Physiker einen Teil des recycelten römischen Bleis nutzen.

In den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden einige Bleibarren in INFN-Experimenten verwendet. Im Jahr 2010 „lagerte“ das Grancaso-Labor weitere 4 Tonnen römisches Blei aus einem Museum auf Sardinien.

Archäologen des Cagliari-Museums sagen, die Trennung von diesen Bleibarren sei sehr schmerzhaft. Obwohl sich die an das INFN übergebenen Bleibarren im schlechtesten Erhaltungszustand befinden, sind sie dennoch von außerordentlichem historischen Wert. Glücklicherweise schnitt der Physiker die Inschrift aus und schickte sie zur Konservierung nach Cagliari zurück, bevor er den Bleibarren schmolz. Die verbleibenden Barren werden zusammen mit dem vorherigen Blei zu einer 6 Zentimeter dicken Bleiauskleidung geschmolzen, die den CUORE-Detektor umhüllt.

Viele Archäologen haben Einwände gegen den Guss dieser historischen Bleiblöcke erhoben. Elena · Perez-Alvaro, Ph.D. in Kultur- und Naturerbemanagement, hat gefragt: „Sind diese Experimente wichtig genug, um Teile der Vergangenheit zu zerstören, um die Zukunft zu entdecken?“ M. Fernando · Gonzalez-Zarba, Physiker an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich. Fernando Gonzalez-Zalba sagte: „Ich denke, diese Experimente können einige der grundlegendsten Eigenschaften des Universums erklären, und ich denke, dass es sich lohnt.“

Nicht nur römisches Blei erfüllt die Anforderungen sensibler Experimente, auch das antike Griechenland nutzte diesen Baustoff. Griechenlands Blei war seltener, römisches Blei war jedoch nicht ausreichend vorhanden. Der Archäologe John · Carman sagte, wenn Physiker es umfassend nutzen würden, könnten Archäologen das gesamte antike römische Blei und damit alle Informationen verlieren, die es über die Technologie, Kultur und Industrie der Römer liefern könnte.

Für diesen Streit gibt es keine eindeutige gesetzliche Regelung. Das UNESCO-Übereinkommen zum Schutz des Unterwasserkulturerbes von 2001 verbietet die kommerzielle Nutzung historischer Schiffswracks, es ist jedoch nicht klar, ob dies auch für physikalische Experimente gilt.

Die Suche blieb erfolglos

Obwohl die Einzelheiten nicht bekannt sind, wurde der Streit schließlich durch einen Kompromiss zwischen den Parteien beigelegt – das CUORE-Team hatte bereits 2017 mit dem Sammeln von Daten aus seiner Versuchsapparatur begonnen und seine neuesten Ergebnisse im Jahr 2022 veröffentlicht. Leider fanden sie keine Spuren von Neutrino β Verfall.

Derzeit versucht INFN, CUORE auf CUORE Upgrade with Particle Identification (CUORE) zu aktualisieren, um Partikelerkennungsfunktionen hinzuzufügen. Die beste Nachricht für Archäologen ist, dass für diese Modernisierung kein zusätzliches römisches Blei erforderlich ist.

Interessanterweise besteht das wissenschaftliche Hauptziel von CUORE darin, Hinweise auf Majorana-Neutrinos zu finden, aber aufgrund seiner Fähigkeit, niederenergetische Ereignisse zu identifizieren und zu messen, eignet es sich auch gut für die Erforschung dunkler Materie – astrophysikalische Beobachtungen in verschiedenen Maßstäben haben gezeigt, dass 27 % des Universums davon betroffen sind besteht aus unentdeckter Dunkler Materie, aber wir müssen das Geheimnis, was genau Dunkle Materie genau ist, noch lösen.