Samarbejde identificerer sjældent nukleart henfald i langlivede kaliumisotoper

Nogle kerner af visse grundstoffer henfalder radioaktivt til kerner af forskellige grundstoffer. Disse henfald kan være nyttige eller irriterende afhængigt af konteksten. Dette gælder især for kalium-40. Denne isotop henfalder normalt til calcium-40, men omkring 10 % af tiden henfalder den til argon-40.

Denne henfaldsvej involverer en proces kaldet elektronfangst, som giver information om nuklear struktur. Det kan også bestemme alderen af ​​geologiske objekter på milliard-års tidsskala, fordi kalium-40 har en meget lang halveringstid. Den lange halveringstid gør det svært at finde yderligere måder, hvorpå kalium-40 henfalder.

Nu lavede en månedlang kampagne de første direkte observationer af en meget sjælden, men kritisk henfaldsvej for kalium-40 til argon-40. Resultatet kan forbedre videnskabsmænds forståelse af fysikprocesser og øge præcisionen af ​​geologisk datering. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters og Fysisk gennemgang C .

De fleste elektronindfangningshenfald af kalium-40 fører til en exciteret form for argon-40. The Potassium Decay (KDK) Collaboration målte et sjældent, teoretisk beregnet elektronindfangningshenfald, der i stedet fører til kalium-40 grundtilstanden. De teoretiske beregninger har en bred vifte af forudsigelser. Dette interval begrænser brugen af ​​kalium-40 til at bestemme alderen for geologiske og solsystemtræk.

Holdets eksperimentelle resultat reducerer dette interval. Resultatet forbedrer også estimaterne af kaliumegenskaber, som videnskabsmænd har brug for til visse fysikeksperimenter.

Endelig tyder resultatet på, at neutrinoløst dobbelt-beta-henfald forekommer ved lavere end forventet hastigheder for kerner af lette elementer.

Radioaktive kerner henfalder med en eller flere tilstande, og disse henfald resulterer i mere stabile isotoper. KDK-samarbejdet målte en sjælden henfaldsgren af ​​kalium-40 ved Holifield Radioactive Ion Beam Facility of Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ved hjælp af KDK-arrayet (K=Potassium DK=Decay). KDK-arrayet består af ORNL's Modular Total Absorption Spectrometer, koblet med en specialdesignet siliciumdrift røntgendetektor.

Det er vanskeligt at kvantificere henfaldshastighederne for kalium-40 og dets henfaldsgrene, fordi der skal foretages målinger af forældrekernen og et tilstrækkeligt antal sjældne afkom. KDK Collaboration undersøgte en undergruppe af kalium-40, der henfalder til argon-40 ved elektronindfangning, hvilket udgør omkring 10 % af alle kalium-40 henfald.

Mens de fleste kalium-40 elektronindfangningshenfald udsender en karakteristisk gammastråle, der er en baggrund i de fleste eksperimenter, sker en lille delmængde af disse henfald uden nogen gammastråleemission. Dette sker, når kalium-40 fanger en elektron, der går direkte til argon-40 grundtilstand.

KDK-samarbejdet foretog den første direkte måling af dette henfald. Præstationen indikerer, at andre henfaldsrater også kan have behov for revurdering. Den sjældne henfaldsgren, som KDK Collaboration identificerede og målte, giver unikke eksperimentelle beviser for såkaldte forbudte beta-henfald, påvirker forudsigelser af nuklear struktur og fjerner en langvarig usikkerhed for kalium-baserede geologiske og solsystems aldersestimater.

Resultaterne forbedrer også vurderingen af ​​baggrunden i eksperimenter, der søger efter ny fysik ud over standardmodellen.

Flere oplysninger: M. Stukel et al., Rare K40 Decay with Implications for Fundamental Physics and Geochronology, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.052503

L. Hariasz et al., Evidence for ground-state elektron capture of K40, Physical Review C (2023). DOI:10.1103/PhysRevC.108.014327

Journaloplysninger: Physical Review Letters , Fysisk gennemgang C

Leveret af det amerikanske energiministerium