古代ローマの難破船から大量の金属が発見され、考古学者と物理学者が争っている…

1988年、ダイバーたちはイタリアのサルデーニャ島沖約10キロの海底まで潜り、難破船の残骸を探していた。 28メートルの深さまで潜ったとき、彼らは突然沈没船の輪郭を発見した。

帆船時代の幕開け以来、海は数え切れないほどの船を飲み込んできました。これらの難破船には、さまざまな時代の宝物と歴史が詰まっています。一つでも発見されれば、海洋考古学者の間で大きな関心が寄せられるだろう。それは彼らにとって過去を再構築するための最良の手がかりとなるからだ。

考古学者たちは船上の陶器の壺の形状に基づいて、それが古代ローマの難破船であると判断した。古代ローマ文明は2000年以上前に遡ります。時間の経過と海水により木造建築物の大半は破壊されましたが、腐食に強い石材や金属製品の一部は今でも良好な状態で保存されています。イタリア近海の海底で古代ローマの難破船が見つかることは珍しくないが、この難破船は特別だ。他のものよりはるかに大きくて頑丈です。

サルデーニャ島沖の難破船から回収された鉛の塊。画像出典：参考文献[9]

考古学者たちは、この船がなぜそれほど強固だったのか理由を突き止めた。船には、 1000本以上の鉛の塊、つまり約33トンの金属を含む大量の金属棒が積まれていたのだ。これは当時の難破船発掘調査で発見された金属量としては過去最大だった。考古学者たちは、これらの重い「宝物」に間違いなく非常に驚いていることでしょう。不思議なことに、物理学者たちも同様に興奮している。

考古学のリーダー

これらの鉛の塊はそれぞれほぼ台形の形状をしており、長さ45センチ、重さ約33キログラムあり、発見されたときもきれいに積み重ねられた状態でした。

鉛は古代ローマでは非常に重要な金属であり、水道管、硬貨、武器、建築構造物などに鋳造されていました。具体的な目的は特定できないものの、大量の鉛の塊が発見されたことは、古代ローマの強力な製造能力と経済貿易の発達を裏付けるものでもある。鉛の塊に刻まれた碑文や商標により、考古学者は失われた文明の技術的、産業的、文化的歴史を垣間見ることもできる。

グロブナー博物館で撮影された古代ローマの鉛製水道管（1 世紀）。画像クレジット: Wolfgang Sauber/Wikipedia

古代の鉛の塊のほとんどは深海の難破船から回収されたが、一部は地中に埋もれていた。今年5月にローマ考古学ジャーナルに掲載された研究では、スペインのコルドバにあるベルメス遺跡で20世紀に発掘された鉛の塊3つを詳細に調査した。

研究者らは鉛の地金の化学組成と安定同位体を分析した結果、3つの鉛の地金が同じ採掘地域から来たものであることを発見した。 「SS」の文字が印刷された鉛の塊のうち2つは、コルドバに本社を置く同じ鉱山会社「ソシエタス・シサポネンシス」から来たものである。難破船から見つかった鉛の塊の検査結果から、鉛の塊の半分以上がこの採掘地域から採掘されたことが判明した。最新の研究結果は、コルドバが古代地中海地域で最も重要な冶金ネットワークを有していた可能性があることをさらに裏付けるものであり、また当時の工業化のレベルを反映していると思われる。

鉛のインゴットは考古学者が地中海地域の歴史を解明するのに役立つ可能性がある。当然のことながら、彼らは発見した鉛の塊をすべて元の状態のまま保管するか、将来さらに徹底的な検査と分析が行われるまで博物館に送って保管したいと考えています。しかし、横から「覗いていた」物理学者たちはそうは考えなかった。彼らが最も望んでいたのは、これらのローマの鉛の塊を溶かして、宇宙の謎を探求するために使うことでした。

物理学のリーダー

エットーレ・フィオリーニは、1988 年に新聞でこの巨大な貨物船の発見について読んだ後、これらの鉛のインゴットが物理学者 (より正確には、素粒子物理学者) にとって重要であることをすぐに予見しました。フィオリーニ氏はイタリアのミラノ・ビコッカ大学の物理学者であり、稀少事象のための極低温地下観測所（CUORE）の実験コーディネーターです。

当時、イタリア国立原子核物理学研究所（INFN）はグラン・サッソ研究所の地下にCUORE検出器を建設中だった。この実験の目的は、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊と呼ばれる理論上の粒子崩壊現象を探すことです。標準的な二重ベータ崩壊では 2 つのニュートリノが放出されますが、ニュートリノのない二重ベータ崩壊イベントでは、原子核は 2 つの電子のみを放出し、ニュートリノは放出されません。

理論上でもニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊現象は稀であり、これまで観測されたことはありませんが、実際に観測できれば、ニュートリノの質量を測定でき、ニュートリノの反物質がニュートリノ自身（マヨラナニュートリノ）であるかどうかの疑問に答えることができ、宇宙における物質と反物質の非対称分布の謎を解明できる可能性があります。

ニュートリノなしの二重ベータ崩壊のファインマン図。画像クレジット: CUORE/INFN

このまれな崩壊現象を観察するために、CUORE の科学者たちは、岩石の下 1,400 メートルの深さに重さ約 750 キログラムの二酸化テルルの立方体を構築する必要があった。このような現象は極めて稀であり、信号も極めて弱いため、この実験（および同様の実験）は外部の放射性現象の影響から厳密に隔離する必要があり、バックグラウンド放射能は最小限に抑える必要があります。ここでローマン鉛が役立ちます。

CUORE 全体は地下に建設されており、宇宙ニュートリノ背景放射線の影響を受けないように 1.4 キロメートルの厚さの山の岩層で保護されていますが、これでは十分ではありません。実験施設を保護するために使われる岩石層もわずかに放射能を帯びているため、CUORE では放射線を厳重に遮蔽する「シールド」も必要です。鉛の原子核は大きくて重いため、多数の小さな粒子が貫通するのを防ぐには薄い層だけで十分です。理想的には、純粋な鉛は放射線遮蔽に使用するのに適しています。

CUORE クライオスタット検出器のレンダリング。パルス チューブ、希釈冷凍ユニット、内部の低放射性の現代およびローマの鉛シールド、および二酸化テルル結晶アレイ (水色) が含まれています。画像出典：参考文献[9]

しかし現実は理想的ではありません。自然界で新たに採掘された鉛には、放射性元素ウラン 235 がいくらか含まれています。ウラン 235 は時間の経過とともに不安定同位体の鉛 210 に崩壊し、鉛 210 は半減期が 22 年でより安定した同位体に崩壊します。鉛鉱石を加工する過程でウランの大部分は除去されますが、すでに存在する鉛210は何年もの間弱い放射線を放出し続けます。明らかに、鉛自体は実際には放射線源となり、素粒子物理学の実験で放射線シールドとして直接使用することはできません。

しかし、何千年もの間水中に沈んでいた鉛は、長い年月の間に自然放射能をほぼ完全に失っており、粒子検出器の遮蔽に最適な材料となっています。 1991年、INFNチームと協力者は、ローマ時代の鉛の放射能に関する詳細なテストを論文で実施しました（フィオリーニは共著者でした）。さまざまな検出方法により、ローマの鉛には鉛210がまったく含まれておらず、背景放射線レベルは現代の鉛の約1000分の1に過ぎないことが示され、当時の研究サンプルの中で最も優れた遮蔽材料であったことが判明しました。

2019年に「The European Physical Journal A」に掲載された研究では、最新の低温検出技術を使用してローマの鉛サンプルの放射能純度をさらにテストし、これまでで最も低い鉛210の測定限界を報告しました。

「素粒子物理学者は低レベルの放射性鉛を探すことが多い」とフィオリーニ氏は語った。 「金属は実験に使用するために、古代の教会の屋根や沈没船の竜骨から抽出されることが多い。」しかし、サルデーニャ島での発見は、その年代と資料の豊富さの両面において前例のないものである。

考古学 vs 物理学

1991年、カリアリの考古学研究所には海底から鉛の塊をすべて回収するのに十分な資金がないことを知ったフィオリーニは、INFNの幹部を説得して、この取り組みに約21万ドルを寄付させた。その代わりに、物理学者たちはリサイクルされたローマ時代の鉛の一部を利用できる。

1990 年代には、INFN の実験で鉛のインゴットが使用されました。 2010年、グランキャッスル研究所はサルデーニャ島の博物館からさらに4トンのローマ時代の鉛を「購入」した。

鉛の塊に刻まれた銘文は切り取られて保存され、残りの大部分はCUORE内部の鉛シールドに使用されました。画像出典：参考文献[9]

カリアリ博物館の考古学者らは、これらの鉛の塊を分離するのは非常に苦痛だったと語った。 INFNに引き渡された鉛の塊は最悪の状態であったが、それでも並外れた歴史的価値がある。幸運なことに、物理学者たちは鉛の塊を溶かす前に刻まれた碑文を切り取り、保存のためにカリアリに送り返した。残りの鉛インゴットは、以前の鉛と一緒に溶かされて、CUORE 検出器を包む 6 cm 厚の鉛ライニングを形成します。

CUORE の内部鉛シールドの右側面図。画像出典：参考文献[9]

多くの考古学者は、これらの歴史的に重要な鉛のブロックを溶かすことに反対を表明している。文化遺産と自然遺産の管理の博士であるエレナ・ペレス・アルバロ氏はかつてこう疑問を呈した。「未来を発見するために過去の一部を破壊するほど、こうした実験は重要なのだろうか？」英国ケンブリッジ大学の物理学者、M・フェルナンド・ゴンザレス・ザルバ氏は「これらの実験は宇宙の最も基本的な性質のいくつかを説明することができる。やる価値はあると思う」と語った。

ローマの鉛は、繊細な実験の要件を満たす唯一の材料ではありません。古代ギリシャ文明でもこの建築材料が使われていました。ギリシャの鉛はさらに不足していたが、ローマの鉛も豊富に供給されていたわけではなかった。考古学者のジョン・カーマンは、物理学者による鉛の使用が広まれば、考古学者は古代ローマの鉛をすべて失い、それとともにローマの技術、文化、産業について鉛から得られるすべての情報も失う可能性があると述べている。

この紛争に関して明確な法的規定はありません。 2001年のユネスコ水中文化遺産の保護に関する条約は、歴史的な難破船遺物の商業的利用を禁止しているが、それが物理的な実験に適用されるかどうかはまだ明らかにされていない。

検索結果なし

具体的な詳細は不明だが、結果から判断すると、この論争は最終的にすべての関係者の妥協により解決された。CUOREチームはローマの鉛を放射線遮蔽シールドに作り変え、実験装置は2017年にデータ収集を開始し、2022年に最新の結果を発表した。残念ながら、ニュートリノなしの二重ベータ崩壊の痕跡は見つからなかった。

現在、INFN は粒子識別機能を追加するために、CUORE を CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification) にアップグレードしようとしています。考古学者にとって最も嬉しいニュースは、このアップグレードには追加のローマの鉛は必要なかったことです。

興味深いことに、CUORE の主な科学的目標はマヨラナ ニュートリノの証拠を探すことですが、低エネルギー イベントを識別して測定する能力は、暗黒物質の探査にも適しています。さまざまなスケールでの天体物理学的観測により、宇宙の 27% が未発見の暗黒物質で構成されていることが示唆されていますが、暗黒物質が何であるかという謎はまだ解明されていません。

参考文献

[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

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiukexue)

著者: ブ・ゾウ

編集者：鍾延平

校正：徐来林