探索暗物质也需要沉船宝藏？

古代沉船中有许多低背景辐射物质，这可能成为粒子物理学家发现暗物质的一个机会。与此同时，科学家也面临一个道德困境:他们应该以科学的名义牺牲重要的文化遗产吗？

照片来源:Divetech

作家罗宾·乔治·安德鲁斯

翻译，石

编辑杨新洲

沉船中的宝藏

2017年，伦敦大学学院的物理学家查姆考尔·格(Chamkaur Ghag)收到了一封关于西班牙一所大学提供的一个有吸引力的职位的电子邮件。在收到邮件的前一年，普林斯顿大学名誉教授弗兰克·卡拉普莱斯了解到，400年或500年前在新泽西海岸沉没的一艘西班牙船满载铅。卡拉普莱斯设法获得了少量样本，并把它们送到西班牙比利牛斯山脉的一个研究所，测试其放射性。正如当时坎弗兰克地下实验室主任奥尔迪尼所料，铅的放射性非常低。目前，任何愿意支付20欧元的物理实验室都可以从深海中获得1公斤的铅，这仍然是一个相对较高的价格。

世界各地都在开采和提炼铅金属，但是这种铅的寿命长达几个世纪，在深海沉船中发现的价值很少。数百年前，铅已经沉入深海，其天然放射性已经衰减到无法再释放粒子的程度。对粒子物理学家来说，这条线索很有价值。“它就像是黄金制成的地球。”Ghag说。

生活中的大量物体，从陶瓷、玻璃到金属，甚至香蕉，都有不同程度的放射性。在粒子物理实验中，这些物质衰变产生的粒子会撞击探测器，产生假阳性结果，阻碍科学发现。甚至由各种金属制成的实验装置本身也有相对较低的放射性。

但我们只需要一小块铅来帮助探测器阻挡各种混乱的粒子辐射，而最有效的方法之一就是将这些探测器与非放射性铅结合在一起。铅的最佳来源是沉船，其中一些已经在海水中埋藏了近2000年。

粒子物理实验试图观察宇宙中最基本的组成部分，包括暗物质，到目前为止还没有被观察到，它类似于星系之间的“胶水”。虽然这些古老的铅将有助于人类揭示宇宙的奥秘，但获得这种铅往往会陷入现实和道德的困境。

制图:马库斯·海德尔

沉船中的铅属于一种放射性很低的材料，可以作为低辐射背景材料。史文朋科技大学的天体物理学家艾伦·达菲说，对于低辐射背景材料没有统一的标准，但是可以根据实验对背景辐射的敏感度来确定所需背景材料的辐射水平。他说:“如果你想建造一个盖革计数器，你需要确保这个计数器没有考虑到自身发出的粒子。”

防辐射物质

钢铁也是一个非常实用的遮蔽物，可以阻挡粒子进入实验装置。因此，美国伊利诺伊州的费米国家加速器实验室研究粒子物理和高能物理，在过去几十年里使用了几吨特殊钢来屏蔽机器发出的粒子。这些特殊钢材通常来自退役的战舰，其中大部分在二战中服役。

我提到第二次世界大战是因为它的发生与现在的金属装置有关。1945年7月16日，第一枚核弹在新墨西哥州的沙漠中爆炸。随着原子能时代的到来，每次核弹爆炸都会导致更多的放射性物质释放到地球上。

达菲说，冷战期间炼钢的熔炉吸入了含有放射性污染物的空气。这导致产生具有放射性的钢铁产品，并且这些金属产品在应用于许多物理实验时将是不稳定的，释放出放射性粒子。

随着《全面禁止核试验条约》的公布，世界上很少有人类诱发的放射性，但即使人类诱发的放射性剂量很低，也足以让铁制品吸入足够的放射性粒子。具有低辐射背景的钢可以在封闭的环境中制造，但成本非常高，因此最理想的钢原料来源是新墨西哥核试验前建造的退役军舰。这种钢材不仅放射性极低，而且非常便宜。

目前，来自沉船的钢可以用于几乎所有种类的粒子物理实验，但是在寻找暗物质的领域，对铅需求的研究仍然占据第一位。

暗物质占宇宙物质的83%，但是科学家直到现在才发现它。在研究这种难以捉摸的物质的过程中，科学家们制造了各种装置，这些装置实际上是在探索暗物质，并且还需要沉没的宝藏来证明它们的存在。许多探测装置都建在地下深处，包括加拿大安大略省SNOLAB实验室计划的SuperCDMS探测器，以及由比利牛斯山脉Canfranc地下实验室操作的一些探测器。这可以屏蔽来自地球表面的辐射，并且不会干扰探测器。

加拿大地下实验室

因为这些检测设备特别敏感，所以需要屏蔽来自周围环境的颗粒。每个暗物质实验装置对背景辐射都有不同的容忍度。为了确定实验装置的容差，达菲说:“你需要先建立一个基本的探测器”，并测试哪种材料最适合阻挡辐射。有时，水箱或一些塑料可以防止像中子这样的粒子意外撞击探测器。然而，如果需要阻挡伽马射线，实验装置需要一个铜或铅制成的屏障。

海底的古代铅是一种理想的材料，这不仅是因为不稳定的铅同位素铅-210经过几个世纪的辐射后会形成稳定的铅-206。海水可以阻挡来自宇宙的辐射，促进放射性物质的释放。基于上述原因，卡拉普莱斯利用在新泽西海岸发现的西班牙船只中的铅设计了一些实验装置来探测暗物质。

目前，这种特殊铅的来源仍然非常有限，但这种铅的销售非常普遍。Ghag解释道，“有时候，一些地下实验室会说，‘嘿，这是一个买一堆古铅的机会。谁买的？”“如果这些沉没的铅材料能够被回收，那么这些材料将会被拍卖，许多研究机构也会对拍卖产生浓厚的兴趣。

在欧洲周围的海水中，低背景辐射的铅经常在古罗马时代的沉船中发现。战争中使用的含铅硬币、建筑材料和武器将被回收，理论物理学家将成为他们的买家。

科学与文明的争论

一些天体物理学家公开质疑是否可以以科学的名义牺牲古代珍宝。例如，自2010年以来，意大利罕见事件低温地下观测站已经获得了数百块实验用铅。然而，他们的实验试图解决长期困扰科学家的问题，比如为什么物质而不是反物质在宇宙中占据主导地位。这些铅块来自撒丁岛海岸的古罗马船只。这些船只在海底沉默了2000多年，具有极高的考古价值。每个铅块都可以揭示其生产历史。尽管沉船上的1000块铅大部分完好无损，但它们可以被送往意大利国家考古博物馆进行研究。然而，270块铅已被熔化用于物理实验。

2013年，伯明翰大学考古学本科生埃琳娜·佩雷斯-阿尔瓦罗也陷入了这样的困境。所有珍贵的沉船都含有低辐射物质，但同时，其中一些还包含丰富的人类历史。2001年颁布的《水下遗产保护法》和《国际公约》旨在防止清理这些大型船只的残骸。然而，正如佩雷斯-阿尔瓦罗指出的那样，《公约》中有一个盲点。虽然它强调沉船中的文化遗产不能用于商业交易，但并不表明它们不能用于科学实验。

在2015年她与日立剑桥实验室的费尔南多·冈萨雷斯-扎尔巴合著的一篇论文中，佩雷斯-阿尔瓦罗得出结论，没有商业技术可以生产铅来满足科学家对暗物质实验的需求。从研究人员的角度来看，使用这些古老的铅是值得的，但是需要仔细分析这些物理学家对铅的需求，以确保实验设备不能被塑料或钢所取代。

近年来，二战战舰的残骸在马来西亚、印度尼西亚和新加坡海岸逐渐消失。这些战舰中有许多是战争中的坟墓，甚至有数百具人类遗骸。这些战舰被渔民非法拆解，其中一些人可能在寻找低背景辐射的钢铁。尽管科研机构的购买者可能不想使用这些低背景辐射材料的非法来源，但一旦他们收到这些材料，他们就无法确定其来源。

Gonzalez-Zalba解释说，罗马帝国每年生产88000吨铅，其中只有一小部分用于物理实验。他接着说，科学家也在提高他们的意识和敏感度，以避免陷入低背景辐射材料造成的道德困境。

达菲说，粒子物理学家在考虑获得材料的来源时，应该优先考虑这些文化遗产。然而，他也强调，低背景辐射材料被认为是一种珍贵的原材料，不会被任意滥用。

冈萨雷斯-扎尔巴怀疑真正的危机源于微电子工业的逐渐繁荣。每台电脑和手机微芯片都需要低背景辐射的铅制成的组件。他说，虽然新铅将用于工业，但制造商通常会选择旧铅，因为生产成本会成倍下降。“这个应用程序是我最担心的，因为它是一个商业设备，”冈萨雷斯-扎尔巴说。“但是这个装置不会造福人类。”

然而，通过仔细考虑，粒子物理学家可以在道德和实验之间达成平衡。在我们发现暗物质之前，这种探索就像是一项永无止境的任务。但是如果我们发现了它，这个发现将会彻底改变我们的未来。因此，很难想象许多人会认为不值得牺牲一小部分历史去追寻暗物质。

原始链接:

https://www . thelantic . com/science/archive/2019/10/search-dark-matter-dependences-old-ship surges/600718/

原标题:深海沉船中最珍贵的东西是什么？