David Mannes, ricercatore del Paul Scherrer Institute PSI, ha utilizzato i neutroni per rendere visibile un tesoro archeologico: un castello in miniatura di epoca romana, ritrovato in Germania.
Una cosa del genere fa battere il cuore degli archeologi: un castello molto piccolo, splendidamente decorato e dorato, risalente all'epoca romana. Un cercatore d'oro lo ha trovato in un campo in Westfalia nel 2023 e lo ha portato agli esperti del Landschaftsverband Westfalen-Lippe (LWL). Hanno determinato la data di origine: il terzo o il quarto secolo d.C.. È stato inoltre stabilito che il reperto proveniva dalle province romane, da dove aveva poi viaggiato per vie sconosciute verso nord, fino alla Westfalia. Forse la serratura era stata usata per chiudere un portagioie o qualcosa di simile.
Difficile da vedere
Un capolavoro in filigrana di epoca romana, che misura appena 1,2 per 1,1 centimetri. Ma cosa c'era all'interno del piccolo oggetto dorato? Solo una macchia arrugginita era visibile a occhio nudo, indice di un meccanismo in ferro. Non era chiaro che aspetto avesse e se fosse stato funzionante 1600 o 1700 anni fa. Gli esperti del LWL hanno quindi utilizzato la tomografia a raggi X per analizzare la serratura. Tuttavia, le immagini hanno mostrato solo componenti in oro: la cassa della serratura, una maglia della catena e i tre rivetti che tenevano insieme la struttura. L'interno appariva come uno spazio vuoto.
Il motivo è che l'oro è molto più denso del ferro. Gli esami a raggi X si basano sul fatto che le radiazioni passano attraverso un oggetto e vengono attenuate in misura diversa da materiali con densità diverse. Questo crea dei contrasti - le ombre più chiare e più scure sulle immagini a raggi X. Nel caso del castello romano in miniatura, tuttavia, la guaina d'oro ha attenuato le radiazioni in misura molto maggiore rispetto ai componenti in ferro all'interno, circa venti volte di più. Ha agito come uno strato protettivo che ha schermato le parti in ferro dai raggi X. Così forte che nelle immagini non si vedeva nulla dell'interno.
Neutroni al posto dei raggi X
Per svelare il segreto del castello romano di provincia, era necessaria una tecnica di imaging diversa, in grado di gestire la difficile composizione metallica dell'oro e del ferro: la tomografia neutronica del PSI.
È stato così che l'archeologo della LWL Ulrich Lehmann ha contattato David Mannes del Centro di ricerca sui neutroni e i muoni del PSI. I due hanno parlato per la prima volta al telefono dell'oggetto e del problema tecnico. "Dopo di che ho capito che un'indagine aveva buone possibilità di successo", ricorda Mannes.
Fu fissato un appuntamento e nell'ottobre 2023 Lehmann portò la serratura al PSI. La serratura è stata messa in una piccola scatola di plastica per il trasporto. I due diedero una rapida occhiata al gioiello romano e discussero del processo. Mannes era ben consapevole di avere davanti a sé qualcosa di speciale, ma prima di tutto si concentrò sugli aspetti tecnici: quanto bene l'oggetto potesse essere esaminato con il suo metodo.
Il bombardamento di protoni al servizio della scienza
Lo strumento che aveva preparato a questo scopo si chiama NEUTRA - NEUtron Transmission Radiography. All'esterno assomiglia a un piccolo bunker di cemento dipinto di verde, mentre all'interno si svolgono processi di misurazione di alta precisione: NEUTRA scansiona gli oggetti utilizzando i neutroni, le particelle neutre presenti nel nucleo di un atomo.
Per rendere questi neutroni utilizzabili per la tomografia, devono prima essere "liberati" dal nucleo atomico. A tal fine è necessaria una sorgente potente: la sorgente svizzera di neutroni a spallazione SINQ. Qui i protoni vengono accelerati quasi alla velocità della luce e sparati contro un bersaglio fisso. Il bersaglio contiene piombo. In questo modo si liberano da 15 a 30 neutroni per nucleo atomico, che vengono "liberati", come dice il termine tecnico.
I neutroni liberi colpiscono quindi l'oggetto di prova posto in NEUTRA. Un rilevatore misura la quantità di radiazioni che attraversano l'oggetto - la cosiddetta misura di trasmissione. Dopo ogni misurazione, l'oggetto viene ruotato di un angolo molto piccolo fino a registrare 360 gradi. Il principio di base della tomografia neutronica è quindi molto simile a quello della tomografia a raggi X negli ospedali, solo con un diverso tipo di radiazione.
La misurazione al castello romano è durata alcune ore. L'oggetto è stato poi posto in un caveau a decadere. Questo è necessario perché gli oggetti diventano leggermente radioattivi per un breve periodo durante la tomografia neutronica. "A parte questo, non è successo nulla alla serratura", dice Mannes. "È un metodo di misurazione non distruttivo".
Contrasto sufficiente per il ferro
A questo punto è iniziato il lavoro vero e proprio: "Dopo la misurazione, abbiamo scattato molte immagini di trasmissione individuali, da diverse direzioni. Tuttavia, non c'era molto da riconoscere". Le immagini dovevano essere ricostruite al computer, cioè assemblate in immagini trasversali. Il software per farlo è una soluzione propria del PSI, progettata da Anders Kaestner presso il Centre for Neutron and Muon Research dell'Applied Materials Group, il gruppo di ricerca in cui lavora anche David Mannes.
E infatti: dopo la ricostruzione, l'interno del castello era visibile. I componenti in ferro e oro sono apparsi come strutture rispettivamente più scure e più chiare. Mannes spiega perché funziona con i neutroni. "I fasci di neutroni penetrano l'oro molto più facilmente dei raggi X. Il guscio esterno dorato della serratura ha attenuato i raggi neutronici molto più del ferro all'interno. Ciononostante, i neutroni sono stati in grado di penetrare l'oro e allo stesso tempo di fornire un contrasto sufficiente a rendere visibile il ferro".
Tuttavia, mancavano ancora alcuni dettagli che decodificassero il meccanismo. Ciò ha richiesto una seconda fase, la cosiddetta segmentazione. "Ho cercato di separare il più possibile i diversi componenti, come fanno gli archeologi con il pennello durante gli scavi. Solo che nel mio caso si trattava di dati di immagini che ho separato virtualmente". Per fare ciò, Mannes ha reso selettivamente più nitidi i valori di grigio dei singoli componenti in ferro ed è stato così in grado di elaborare i contorni del meccanismo in ferro.
Viste interne colorate
Il risultato è stato impressionante. Le viste in sezione mostrano tutte le singole parti evidenziate a colori: un telaio con molla e guida, un chiavistello, una guida del chiavistello rotta, una piastra di base e un anello finale della catena inserito. Il fatto che il meccanismo sia stato danneggiato in un punto potrebbe indicare che qualcuno ha tentato di forzare la serratura.
Una volta terminata la ricostruzione e la segmentazione, Mannes ha inviato le sue scoperte alla LWL, dove un restauratore ha creato una replica funzionale del castello in scala 4:1. Il gioiello romano è stato presentato al pubblico alla fine di gennaio 2025, accompagnato da articoli su riviste specializzate e dalla stampa internazionale.
Mannes continuerà a seguire da lontano il percorso dell'ormai famoso castello d'oro. Con NEUTRA ha già esaminato altri oggetti archeologici, come una spada medievale del lago di Zug o una statua di Buddha del XIV o XV secolo proveniente dal Tibet occidentale. "Ma la serratura d'oro è stato l'unico oggetto finora in cui siamo stati in grado di concentrarci su una meccanica così delicata", dice lo scienziato. Ancora oggi è impressionato da quanto sia piccolo il meccanismo di ferro. "Questa combinazione di età, dimensioni e materiale rende questo piccolo ma raffinato reperto di epoca romana qualcosa di molto speciale".
