år 2017 fick Chamkaur Ghag, fysiker vid University College London, ett mail från en kollega i Spanien med ett frestande erbjudande. Året innan hade en emeritusprofessor vid Princeton University, Frank Calaprice, lärt sig om gamla spanska fartyg som hade sjunkit utanför New Jersey-kusten för 400 eller 500 år sedan, medan de transporterade en last av bly. Calaprice erhöll några prover av denna ledning och skickade den till Spanien, där ett laboratorium begravt i Pyreneerna testade sin radioaktivitet. Det var lågt: precis vad Aldo Ianni, dåvarande chef för Canfranc Underground Laboratory, hoppades på. Nu erbjöds sjunkna bly till alla fysiklaboratorier som var villiga att betala 20 euro per kilo—ett ganska högt pris—för det.
bly bryts och raffineras över hela världen, men den århundraden gamla ledningen, som sitter i ett skeppsbrott, har en sällsynt kvalitet. Efter att ha suttit djupt under vattnet sedan innan Amerikas förenta stater föddes, har dess naturliga radioaktivitet förfallit till en punkt där den inte längre spottar ut partiklar. För partikelfysiker gör det det exceptionellt värdefullt.
” det är som gulddamm”, säger Ghag.
glöm plutonium: massor av vardagliga föremål, från keramik och glas till metaller och bananer, är radioaktiva, i varierande grad. Skulle partiklarna från deras förfall träffa detektorerna av partikelfysikexperiment, kunde de ge forskare falska positiva och gräva potholes på vägen till vetenskaplig upptäckt. Även experimenten själva, byggda av alla typer av metaller, har lätt radioaktiva komponenter.
Läs: när TV-apparater var radioaktiva
bara några inches av bly kan skydda detektorer från alla typer av oseriösa strålning, och en av de bästa sätten att blockera lömska, oönskade partiklar är att omge dem med bly som i sig är knappt radioaktivt. Den bästa källan till sådan bly råkar bara vara sjunkna fartyg, av vilka några har varit lik nära kustvatten så länge som två årtusenden.
fler berättelser
Partikelfysikexperiment letar efter de mest grundläggande byggstenarna i kosmos, inklusive mörk materia, en ännu osynlig substans som fungerar som lim inom och mellan galaxer. Denna gamla ledning hjälper sedan mänskligheten att låsa upp universums hemligheter-men att få det presenterar ofta praktiska och etiska osäkerheter.
skeppsbrott bly tillhör en klass av föremål som kallas lågbakgrundsmaterial, som har mycket låga nivåer av inneboende radioaktivitet. Det finns ingen överenskommen standard för vad som utgör ett lågbakgrundsmaterial, men baserat på känsligheten för ett experiments bakgrundsstrålning är det klart vilken nivå som behövs, säger Alan Duffy, en astrofysiker vid Swinburne University of Technology. ”Om du bygger en Geiger-räknare behöver du Geiger-räknaren för att inte hämta sig själv”, säger han.
ta stål: Det är en utmärkt sköld från inkräktande vagabondpartiklar—så mycket att Fermilab, ett partikelfysik-och acceleratorlaboratorium i Illinois, har använt massor av det under de senaste decennierna för att skydda sina egna experiment, säger Valerie Higgins, Fermilabs historiker och arkivist. Det stålet kom ofta från avvecklade krigsfartyg, varav många fanns runt tiden för, eller tjänstgjorde i, andra världskriget eller Koreakriget, inklusive Astoria, Roanoke, Wasp, filippinska havet, och Baltimore.
tidpunkten för dessa konflikter är viktig. Klockan 5:29. den 16 juli 1945 ägde den första kärnkraftsdetonationen någonsin rum i Jornada del Muerto-öknen, i New Mexico. Atomåldern hade börjat, och med varje efterföljande kärnvapenboll ströks mer radioaktivt nedfall över världen.
under det kalla kriget sugs den radioaktiva atmosfäriska föroreningen enkelt in i masugnar när stål tillverkades, säger Duffy. Detta infunderade slutprodukten med strålning, vilket gjorde den olämplig för många fysikexperiment.
Testförbudsavtal betyder att världen är mindre artificiellt radioaktiv idag, men det är fortfarande radioaktivt nog för att partiklar ska smyga in i stål. Lågbakgrundsstål kan tillverkas i en förseglad miljö, ofta till stor kostnad, men annars är den bästa källan avvecklade krigsfartyg, byggda före Trinity-testet skapade ett glasartat ärr i New Mexikos jord. Det är inte bara minimalt radioaktivt, men det är anmärkningsvärt billigt.
men medan stål tjänar bra för alla typer av partikelfysikexperiment, leder bly högsta i sökandet efter mörk materia.
mörk materia utgör 83 procent av alla saker i universum. Det gör det klart att det är värt att studera, men forskare kan för närvarande inte upptäcka det. I deras strävan efter detta obekväma elusiva ämne har de byggt alla slags experiment som försöker antingen direkt upptäcka det eller använda närvaron av andra partiklar för att visa sin existens. Många av dessa experiment, från den planerade SUPERCDMS SNOLAB i Ontario, Kanada, till den uppåtgående familjen av detektorer inom Canfranc Underground Laboratory i Pyreneerna, byggs djupt under jord-där ytstrålning inte kan komma igenom och störa deras detektorer.
Läs: en debatt om formen på det osynliga universum
att vara känsliga själar behöver dessa detektorer fortfarande skydda sig från sin omgivning och miljön. Varje experiment med mörk materia har en annan tolerans för bakgrundsstrålning. För att bestämma det, ”bygger du i huvudsak en virtuell detektor” för att se vilka avskärmningsmaterial som kan vara bäst, säger Duffy.
ibland räcker en vattentank eller lite plast för att stoppa partiklar som neutroner från att oavsiktligt träffa detektorn, förklarar Ghag. Men blockering av gammastrålar för vissa experimentella inställningar kan kräva koppar eller bly.
nedsänkt, forntida bly är idealisk, inte bara för att dess instabila bly-210-isotop skulle i stor utsträckning ha förfallit bort under århundradena till stabil bly-206; havet har också skyddat det från kosmiska strålar, vilket kan starta ett materials radioaktivitet. Calaprice, som hjälpte till att designa komponenter i flera experiment med mörk materia, var efter det spanska ledningen utanför New Jerseys stränder av dessa skäl.
den specifika belastningen har ännu inte skördats, men shopping runt sådana fynd är rutinmässigt. Då och då, Ghag förklarar, ”några underjordiska lab kommer att säga,” hej, det finns en möjlighet att köpa en massa gamla bly—vem är i?”Då blir det auktionerat om det nedsänkta materialet kan hämtas och det finns tillräckligt intresse från olika parter.
i vattnen i och runt Europa finns bly med låg bakgrund ofta i sjunkna fartyg från forntida romartid. Ursprungligen smidda till mynt, byggmaterial och krigsvapen, är det nu muddrat och sålt till bland annat partikelfysiker.
vissa arkeologer har öppet undrat om det är värt att offra arkeologiska skatter i vetenskapens namn. Från och med 2010 fick till exempel det kryogena underjordiska observatoriet för sällsynta händelser i Italien hundratals blybitar att använda för sina experiment, allt i hopp om att lösa den långvariga gåtan om varför materia, inte antimateria, dominerar universum. Dessa göt kom från ett romerskt fartyg utanför Sardiniens kust, som sjönk för cirka 2000 år sedan och har stort arkeologiskt värde. Var och en av dem var inskriven med frimärken som avslöjar deras tillverkningshistoria. Även om de flesta av de 1000 göt som extraherades från fartyget lämnades intakta och gjordes tillgängliga för studier vid National Archaeological Museum i Cagliari, smältes 270 av dem för att användas i fysikexperiment.
år 2013 tog Elena Perez-Alvaro, då en arkeologisk doktorand vid University of Birmingham, upp detta dilemma. Det tillämpas på alla ärevördiga vattens vrak rik på låg bakgrundsmaterial, många av dem tid kapslar av mänsklighetens historia. 2001 års konvention om skydd av kulturarvet under vatten är avsedd att förhindra att skelettresterna av dessa fartyg plockas rena. Men, som Perez-Alvaro påpekade, konventionen har en blind fläck: även om det kräver skydd av sjunkna platser av kulturarv från kommersiell återhämtning, det säger ingenting om huruvida de kan räddas för vetenskapligt bruk.
i 2015, i ett papper som hon var medförfattare med Fernando Gonzalez-Zalba från Hitachi Cambridge Laboratory, drog Perez-Alvaro slutsatsen att ingen kommersiell teknik kan producera kvaliteten på bly som forskare behöver för experiment med mörk materia. Att rädda forntida bly är därför värt det, enligt forskarnas uppfattning, men förfrågningar bör analyseras noggrant från fall till fall för att se om fysiker verkligen behöver bly istället för att säga plast eller stål.
” vi måste ha regler; vi måste ha gränser, ” betonade Perez-Alvaro, nu verkställande direktör för Licit Cultural Heritage. ”Det är inte bara skrot som människor kan gräva upp.”Hittills har dock ingen av de institutioner som kan införa sådana regler tagit upp uppgiften, säger Gonzalez-Zalba.
även om en rådgivande ram för förvärv och användning av forntida bly och andra material med låg bakgrund uppstår, kommer det inte nödvändigtvis att reglera deras utvinning.
under de senaste åren har krigsfartyg från andra världskriget försvunnit utanför Malaysias, Indonesiens och Singapores kuster, olagligt rippade isär av räddningsdykare. Många av dessa fartyg var krigsgravar, innehållande hundratals lik. Det är möjligt att några av dessa dykare kan ha letat efter lågbakgrundsstål. Köpare kanske inte vill använda oetiskt material med låg bakgrund, men när de får det kan de inte ha något sätt att fastställa dess ursprung.
även om ingenstans nära så moraliskt motbjudande som plundrade krigsgravar, kan ursprunget till bly från kulturellt betydande forntida skeppsvrak vara på samma sätt fördunklat. ”Jag antar ofta, vi bryr oss inte tillräckligt för att kontrollera det,” säger Ghag. ”Det är vad det är. Vi är mer bekymrade över kostnaden.”
Gonzalez-Zalba förklarar att romarna producerade cirka 88 000 ton bly varje år, och många experiment kräver bara en liten bråkdel av detta. Forskare, säger han, är också alltmer medvetna om och känsliga för de etiska dilemman som omger utvinning av material med låg bakgrund.
Läs: det sista stora arktiska skeppsbrottet
partikelfysiker bör hålla kulturarvet och ursprunget till deras material framför sinnet, säger Duffy. Men han betonar att lågbakgrundsmaterial ”säkert behandlas” som en dyrbar resurs och inte används utan hänsyn.
den verkliga faran, Gonzalez-Zalba misstänker, kommer från den blomstrande mikroelektronikindustrin. Mikrochips, som finns i varje enskild dator och smartphone, tenderar att behöva blykomponenter med låg bakgrund. Även om industrin kunde använda nyproducerad bly, säger han, tillverkare valde ofta gammal bly eftersom det är en storleksordning billigare. ”Det här är den applikation som oroar mig mest, för det är en kommersiell applikation”, säger Gonzalez-Zalba. ”Det är inte en ansökan till förmån för mänskligheten.”
men med noggrann övervägning kan partikelfysiker hitta en etisk-praktisk balans. Att jaga ner mystisk mörk materia kan kännas som ett Sisyphean-företag fram till det ögonblick vi hittar det. Men om och när vi gör det kommer en sådan upptäckt att revolutionera vår framtid—och det är svårt att föreställa sig att många hävdar att det inte var värt att offra ett segment av det förflutna i sin strävan.
