Физика

Калий-40 с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет распадается нечасто, но его распад имеет большое влияние. Будучи относительно распространенным изотопом (0,012% всего калия) очень распространенного металла (2,4% от массы земной коры), калий-40 является одним из основных источников радиоактивности, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Его распады являются основным источником аргона-40, который составляет почти 1% атмосферы, а огромное количество тепла, выделяющееся в результате этих распадов, опровергло ранние оценки возраста Земли, сделанные лордом Кельвином. Калий-40 в значительной степени ответственен за низкую радиоактивность в нашей пище (например, в бананах) и является существенным источником шума в некоторых высокочувствительных детекторах физики элементарных частиц. Этот изотоп и продукты его распада также являются полезными инструментами для датирования горных пород и геологических процессов, восходящих к самым ранним периодам истории Земли. И все же, эти хорошо изученные распады окружает некоторая давняя неопределенность. Коллаборацией КДК впервые было проведено прямое наблюдение редкого режима распада калия-40 до аргона-40 [1, 2]. Измеренная скорость распада предполагает меньшую вероятность этого режима распада, чем предполагалось ранее. Результаты будут иметь ограниченное, но важное значение для области геохронологии, а также для других областей, которые либо используют, либо стремятся избежать последствий распада этого вездесущего элемента.

Калий-40 имеет несколько сложную схему распада. Это не уран с его цепочками долгоживущих потомков. Но у него есть некоторые интересные особенности: около 90% распада калия-40 переходит в кальций-40 в результате распада 𝛽−, а большая часть оставшихся 10% переходит в вышеупомянутый аргон-40 в результате захвата электронов. Когда горная порода затвердевает, в ней присутствует определенное количество калия-40, но почти нет аргона-40 (рис. 1). Со временем калий-40 разлагается, образуя аргон-40, который остается в породе. Геологи могут оценить возраст породы, измеряя концентрацию этих различных элементов. Один из способов сделать это — так называемое калий-аргоновое датирование — состоит в том, чтобы измерить общее количество калия (в основном калия-39) и рассчитать количество калия-40 на основе известных относительных содержаний. Затем это значение объединяется с измерением аргона-40 для расчета возраста.

Альтернативный метод датирования, более часто используемый в настоящее время, заключается в преобразовании небольшого количества калия-39 в породе в аргон-39. Этот аргон-39 действует как показатель количества калия и, как следствие, количества калия-40. Поэтому геологи могут использовать соотношение аргона-39 и аргона-40 для определения возраста породы. Преимущество этого метода датирования аргоном-аргоном заключается в том, что масс-спектрометрические измерения нацелены на изотопы одного и того же элемента, что можно сделать быстрее и точнее, чем сравнение разных элементов. Трансмутация калия и аргона происходит посредством нейтронной активации в реакторе — несколько запутанный процесс, который вносит множество дополнительных реакций и поправок в определение возраста.

Чтобы преобразовать содержание аргона и калия, полученное обоими методами, в возраст, необходимо количественно определить общую скорость распада калия-40, а также относительные скорости распада для каждого потомка (коэффициенты ветвления). Это может быть на удивление сложно, поскольку требует точного измерения как исходного изотопа, так и достаточного количества чрезвычайно редких распадов. Работа KDK Collaboration посвящена редкой подгруппе примерно 10% калия-40, которая распадается до аргона-40 в результате захвата электронов. Около 99% из этих 10% переходит в возбужденное состояние аргона-40, что является полезной особенностью, поскольку последующий (почти немедленный) распад аргона-40 до основного состояния испускает характерное гамма-излучение. Исследователи могут измерить это гамма-лучи, чтобы количественно оценить скорость этого процесса, а также скорректировать его присутствие в других ситуациях, например, в обсерваториях темной материи, где радиоактивные распады являются значительными помехами.

Однако очень небольшая часть распадов калия-40 с захватом электронов переходит непосредственно в основное состояние аргона-40, что означает отсутствие гамма-лучей, а только низкоэнергетические рентгеновские лучи, которые трудно изолировать. С точки зрения геохронологии результат каждого захвата электрона один и тот же — оба распада производят стабильное ядро ​​аргона-40, — но скорость перехода в основное состояние гораздо сложнее измерить. Давно предсказанный, он, по оценкам, составляет целых 2% распадов до аргона-40 [3, 4], но был полностью исключен из некоторых обычно используемых моделей распада [5]. Работа KDK, использующая тщательное измерение рентгеновских и гамма-спектров, создаваемых источником обогащенного калия (описанным в [1] и более подробно в [2]), показывает, что на самом деле оно ближе к половине этого значения. Этот результат представляет собой первое прямое измерение скорости распада калия-40 до основного состояния аргона-40, а также подразумевает необходимость переопределения других связанных скоростей распада. Как следствие, для некоторых калий-аргоновых возрастов могут потребоваться поправки, близкие к 1%, что влияет на возраст некоторых старых метеоритов и горных пород на десятки миллионов лет.