Im Jahr 2017 erhielt Chamkaur Ghag, Physiker am University College London, eine E-Mail von einem Kollegen in Spanien mit einem verlockenden Angebot. Im Jahr zuvor hatte ein emeritierter Professor an der Princeton University, Frank Calaprice, von alten spanischen Schiffen erfahren, die vor 400 oder 500 Jahren vor der Küste von New Jersey gesunken waren, während sie eine Ladung Blei trugen. Calaprice erhielt einige Proben dieses Bleis und schickte es nach Spanien, wo ein in den Pyrenäen vergrabenes Labor seine Radioaktivität testete. Es war niedrig: Genau das, worauf Aldo Ianni, der damalige Direktor des Canfranc Underground Laboratory, gehofft hatte. Nun, da versunkenes Blei jedem Physiklabor angeboten wurde, das bereit war, 20 Euro pro Kilogramm — einen ziemlich hohen Preis — dafür zu zahlen.
Blei wird auf der ganzen Welt abgebaut und veredelt, aber dieses jahrhundertealte Blei, das in einem Schiffswrack sitzt, hat eine seltene Qualität. Nachdem er seit der Geburt der Vereinigten Staaten von Amerika tief unter Wasser gesessen hat, ist seine natürliche Radioaktivität bis zu einem Punkt abgeklungen, an dem er keine Partikel mehr ausspuckt. Für Teilchenphysiker macht es das außerordentlich wertvoll.
„Es ist wie Goldstaub“, sagt Ghag.
Vergessen Sie Plutonium: Viele Alltagsgegenstände, von Keramik und Glas bis hin zu Metallen und Bananen, sind in unterschiedlichem Maße radioaktiv. Sollten die Teilchen aus ihrem Zerfall auf die Detektoren von teilchenphysikalischen Experimenten treffen, könnten sie Wissenschaftlern Fehlalarme geben und Schlaglöcher auf dem Weg zur wissenschaftlichen Entdeckung graben. Sogar die Experimente selbst, die aus allen Arten von Metallen bestehen, haben leicht radioaktive Komponenten.
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Nur ein paar Zentimeter Blei können Detektoren vor allen Arten von schädlicher Strahlung schützen, und eine der besten Möglichkeiten, hinterhältige, unerwünschte Partikel zu blockieren, besteht darin, sie mit Blei zu umgeben, das selbst kaum radioaktiv ist. Die beste Quelle für solches Blei sind zufällig versunkene Schiffe, von denen einige seit zwei Jahrtausenden Leichen in der Nähe von Küstengewässern sind.
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Teilchenphysikalische Experimente suchen nach den grundlegendsten Bausteinen des Kosmos, einschließlich der dunklen Materie, einer noch unsichtbaren Substanz, die wie Klebstoff innerhalb und zwischen Galaxien wirkt. Diese uralte Führung hilft der Menschheit, die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln — aber sie zu erhalten, birgt oft praktische und ethische Unsicherheiten.
Schiffbrüchiges Blei gehört zu einer Klasse von Materialien mit niedrigem Hintergrund, die sehr geringe intrinsische Radioaktivität aufweisen. Es gibt keinen vereinbarten Standard für das, was ein Material mit niedrigem Hintergrund ausmacht, aber basierend auf der Empfindlichkeit gegenüber der Hintergrundstrahlung eines Experiments ist klar, welches Niveau benötigt wird, sagt Alan Duffy, Astrophysiker an der Swinburne University of Technology. „Wenn Sie einen Geigerzähler bauen, müssen Sie den Geigerzähler nicht von selbst aufnehmen“, sagt er.
Nehmen stahl: Es ist ein ausgezeichneter Schutz vor eindringenden Vagabundenteilchen – so sehr, dass Fermilab, ein Teilchenphysik- und Beschleunigerlabor in Illinois, in den letzten Jahrzehnten Tonnen davon verwendet hat, um seine eigenen Experimente abzuschirmen, sagt Valerie Higgins, Historikerin und Archivarin von Fermilab. Dieser Stahl stammte häufig aus stillgelegten Kriegsschiffen, Viele davon existierten um die Zeit von, oder diente in, der Zweite Weltkrieg oder der Koreakrieg, einschließlich der Astoria, das Roanoke, die Wespe, das Philippinische Meer, und das Baltimore.
Der Zeitpunkt dieser Konflikte ist wichtig. Um 5:29 Uhr. am 16.Juli 1945 fand die erste atomare Detonation in der Wüste Jornada del Muerto in New Mexico statt. Das Atomzeitalter hatte begonnen, und mit jedem nachfolgenden nuklearen Feuerball wurde mehr radioaktiver Fallout über die Welt gestreut.
Während des Kalten Krieges wurde diese radioaktive atmosphärische Kontamination mühelos in Hochöfen gesaugt, als Stahl hergestellt wurde, sagt Duffy. Dadurch wurde das Endprodukt mit Strahlung infundiert, was es für viele physikalische Experimente ungeeignet machte.
Testverbotsverträge bedeuten, dass die Welt heute weniger künstlich radioaktiv ist, aber es ist immer noch radioaktiv genug, damit sich Partikel in Stahl einschleichen können. Low-Background-Stahl kann in einer versiegelten Umgebung hergestellt werden, oft zu erheblichen Kosten, aber ansonsten ist die beste Quelle stillgelegte Kriegsschiffe, die gebaut wurden, bevor der Trinity-Test eine glasige Narbe in der Erde von New Mexico verursachte. Es ist nicht nur minimal radioaktiv, sondern auch bemerkenswert billig.
Doch während Stahl für alle Arten von teilchenphysikalischen Experimenten gut geeignet ist, herrscht Blei bei der Suche nach dunkler Materie.
Dunkle Materie macht 83 Prozent aller Materie im Universum aus. Das macht es eindeutig wert, studiert zu werden, aber Wissenschaftler können es derzeit nicht erkennen. Auf der Suche nach dieser ungünstig schwer fassbaren Substanz haben sie alle Arten von Experimenten durchgeführt, um sie entweder direkt nachzuweisen oder die Anwesenheit anderer Partikel zu nutzen, um ihre Existenz zu demonstrieren. Viele dieser Experimente, vom geplanten SuperCDMS SNOLAB in Ontario, Kanada, bis hin zur laufenden Detektorfamilie im Canfranc Underground Laboratory in den Pyrenäen, sind tief unter der Erde gebaut – wo Oberflächenstrahlung nicht durchdringen und stören kann mit ihren Detektoren.
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Da diese Detektoren empfindliche Seelen sind, müssen sie immer noch vor ihrer Umgebung und der Umwelt geschützt werden. Jedes Experiment mit dunkler Materie hat eine andere Toleranz für Hintergrundstrahlung. Um dies zu bestimmen, „bauen Sie im Wesentlichen einen virtuellen Detektor“, um zu sehen, welche Abschirmmaterialien am besten geeignet sind, sagt Duffy.
Manchmal reicht ein Wassertank oder etwas Plastik aus, um zu verhindern, dass Partikel wie Neutronen versehentlich auf den Detektor treffen, erklärt Ghag. Das Blockieren von Gammastrahlen für einige Versuchsanordnungen kann jedoch Kupfer oder Blei erfordern.
Versunkenes, altes Blei ist ideal, nicht nur, weil sein instabiles Blei-210-Isotop im Laufe der Jahrhunderte weitgehend in stabiles Blei-206 zerfallen wäre; das Meer hat es auch vor kosmischer Strahlung geschützt, die die Radioaktivität eines Materials ankurbeln kann. Calaprice, der an der Entwicklung von Komponenten mehrerer Experimente mit dunkler Materie mitgewirkt hatte, war danach aus diesen Gründen vor der Küste von New Jersey führend.
Diese besondere Ladung muss noch geerntet werden, aber das Einkaufen solcher Funde ist Routine. Hin und wieder erklärt Ghag: „Irgendein unterirdisches Labor wird sagen:’Hey, es gibt eine Gelegenheit, eine Ladung uraltes Blei zu kaufen — wer ist dabei?“ Dann wird es versteigert, wenn das untergetauchte Material abgerufen werden kann und es genügend Interesse von verschiedenen Parteien gibt.
In den Gewässern in und um Europa wird Blei mit niedrigem Hintergrund häufig in versunkenen Schiffen aus der Römerzeit gefunden. Ursprünglich zu Münzen, Baumaterialien und Kriegswaffen geschmiedet, wird es heute ausgebaggert und unter anderem an Teilchenphysiker verkauft.
Einige Archäologen haben sich offen gefragt, ob es sich lohnt, archäologische Schätze im Namen der Wissenschaft zu opfern. Ab 2010 erhielt beispielsweise das kryogene unterirdische Observatorium für seltene Ereignisse in Italien Hunderte von Bleibarren für seine Experimente, in der Hoffnung, das seit langem bestehende Rätsel zu lösen, warum Materie und nicht Antimaterie das Universum dominiert. Diese Barren stammten von einem römischen Schiff vor der Küste Sardiniens, das vor etwa 2.000 Jahren sank und einen beträchtlichen archäologischen Wert hat. Jeder von ihnen war mit Briefmarken beschriftet, die ihre Herstellungsgeschichte enthüllen. Obwohl die meisten der 1.000 aus dem Schiff extrahierten Barren intakt blieben und dem Nationalen Archäologischen Museum in Cagliari zur Verfügung gestellt wurden, wurden 270 von ihnen eingeschmolzen, um in physikalischen Experimenten verwendet zu werden.
2013 griff Elena Perez-Alvaro, damals Doktorandin der Archäologie an der Universität Birmingham, dieses Dilemma auf. Es galt für alle ehrwürdigen Unterwasserschiffswracks, die reich an Hintergrundmaterial sind, viele von ihnen Zeitkapseln der Menschheitsgeschichte. Das Übereinkommen von 2001 zum Schutz des Unterwasserkulturerbes soll verhindern, dass die Skelettreste dieser Schiffe sauber gepflückt werden. Aber, wie Perez-Alvaro betonte, hat die Konvention einen blinden Fleck: Obwohl sie den Schutz versunkener Kulturgüter vor kommerzieller Verwertung fordert, sagt sie nichts darüber aus, ob sie für wissenschaftliche Zwecke geborgen werden können.
Im Jahr 2015 kam Perez-Alvaro in einem Artikel, den sie gemeinsam mit Fernando Gonzalez-Zalba vom Hitachi Cambridge Laboratory verfasste, zu dem Schluss, dass keine kommerzielle Technik die Qualität von Blei erzeugen kann, die Wissenschaftler für Experimente mit dunkler Materie benötigen. Die Bergung von altem Blei lohnt sich daher nach Ansicht der Forscher, sollte jedoch von Fall zu Fall sorgfältig analysiert werden, um festzustellen, ob Physiker wirklich Blei anstelle von beispielsweise Kunststoff oder Stahl benötigen.
„Wir müssen Regeln haben; wir müssen Grenzen haben „, betonte Perez-Alvaro, jetzt Geschäftsführer von Licit Cultural Heritage. „Es ist nicht nur Schrott, den die Leute ausgraben können.“ Bisher hat sich jedoch keine der Institutionen, die solche Vorschriften erlassen könnten, dieser Aufgabe angenommen“, sagt Gonzalez-Zalba.
Selbst wenn ein Beratungsrahmen für den Erwerb und die Verwendung von antikem Blei und anderen Materialien mit niedrigem Hintergrund entsteht, wird er deren Gewinnung nicht unbedingt regulieren.
In den letzten Jahren sind Kriegsschiffe aus dem Zweiten Weltkrieg vor den Küsten Malaysias, Indonesiens und Singapurs verschwunden, illegal von Bergungstauchern auseinandergerissen. Viele dieser Schiffe waren Kriegsgräber, die Hunderte von Leichen enthielten. Es ist möglich, dass einige dieser Taucher nach Stahl mit niedrigem Hintergrund gesucht haben. Käufer möchten möglicherweise kein unethisch beschafftes Material mit niedrigem Hintergrund verwenden, aber wenn sie es erhalten, haben sie möglicherweise keine Möglichkeit, seine Herkunft festzustellen.
Obwohl bei weitem nicht so moralisch abstoßend wie überfallene Kriegsgräber, können die Ursprünge von Blei aus kulturell bedeutsamen antiken Schiffswracks ähnlich verschleiert werden. „Ich denke oft, wir kümmern uns einfach nicht genug, um das zu überprüfen“, sagt Ghag. „Es ist, was es ist. Wir machen uns mehr Sorgen um die Kosten.“
Gonzalez-Zalba erklärt, dass die Römer jedes Jahr etwa 88.000 Tonnen Blei produzierten, und viele Experimente erfordern nur einen winzigen Bruchteil davon. Wissenschaftler, sagt er, sind sich auch zunehmend der ethischen Dilemmata bewusst und sensibel für sie, die mit der Gewinnung von Materialien mit niedrigem Hintergrund verbunden sind.
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Teilchenphysiker sollten das kulturelle Erbe und die Herkunft ihrer Materialien im Auge behalten, sagt Duffy. Er betont jedoch, dass Material mit niedrigem Hintergrund „sicherlich“ als wertvolle Ressource behandelt und nicht ohne Rücksicht verwendet wird.
Die eigentliche Gefahr, vermutet Gonzalez-Zalba, geht von der boomenden Mikroelektronikindustrie aus. Mikrochips, die in jedem einzelnen Computer und Smartphone zu finden sind, benötigen in der Regel hintergrundarme Bleikomponenten. Obwohl die Industrie neu produziertes Blei verwenden könnte, sagt er, wählten die Hersteller oft altes Blei, weil es eine Größenordnung billiger ist. „Dies ist die Anwendung, die mich am meisten beunruhigt, da es sich um eine kommerzielle Anwendung handelt“, sagt Gonzalez-Zalba. „Es ist keine Anwendung zum Wohle der Menschheit.“
Aber mit sorgfältiger Überlegung können Teilchenphysiker ein ethisch-praktisches Gleichgewicht finden. Die Suche nach mysteriöser dunkler Materie mag sich bis zu dem Moment, in dem wir sie finden, wie ein Sisyphus-Unterfangen anfühlen. Aber wenn und wenn wir es tun, wird eine solche Entdeckung unsere Zukunft revolutionieren — und es ist schwer vorstellbar, dass viele Leute argumentieren, dass es sich nicht gelohnt hat, ein Segment der Vergangenheit für ihre Verfolgung zu opfern.
