Vissa kärnor av vissa grundämnen sönderfaller radioaktivt till kärnor av olika grundämnen. Dessa förfall kan vara användbara eller irriterande beroende på sammanhanget. Detta gäller särskilt för kalium-40. Denna isotop sönderfaller vanligtvis till kalcium-40, men cirka 10 % av tiden sönderfaller den till argon-40.
Denna sönderfallsbana involverar en process som kallas elektronfångning som ger information om kärnstrukturen. Det kan också bestämma åldern på geologiska objekt på miljardårsskalor, eftersom kalium-40 har en mycket lång halveringstid. Den långa halveringstiden gör det svårt att hitta ytterligare sätt att sönderfalla kalium-40.
Nu gjorde en månadslång kampanj de första direkta observationerna av en mycket sällsynt men kritisk sönderfallsväg av kalium-40 till argon-40. Resultatet kan förbättra forskarnas förståelse av fysikprocesser och öka precisionen i geologisk datering. Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters och Fysisk granskning C .
De flesta elektroninfångningssönderfall av kalium-40 leder till en exciterad form av argon-40. The Potassium Decay (KDK) Collaboration mätte ett sällsynt, teoretiskt beräknat elektroninfångningssönderfall som istället leder till kalium-40 grundtillstånd. De teoretiska beräkningarna har ett brett utbud av förutsägelser. Detta intervall begränsar användningen av kalium-40 för att bestämma åldern på geologiska egenskaper och solsystem.
Teamets experimentella resultat minskar detta intervall. Resultatet förbättrar också uppskattningarna av kaliumegenskaper som forskare behöver för vissa fysikexperiment.
Slutligen tyder resultatet på att neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall inträffar vid lägre än förväntade hastigheter för kärnor av lätta element.
Radioaktiva kärnor sönderfaller med ett eller flera sätt, och dessa sönderfall resulterar i mer stabila isotoper. KDK Collaboration mätte en sällsynt sönderfallsgren av kalium-40 vid Holifield Radioactive Ion Beam Facility i Oak Ridge National Laboratory (ORNL) med hjälp av KDK-matrisen (K=Potassium DK=Decay). KDK-matrisen består av ORNL:s Modular Total Absorption Spectrometer, tillsammans med en specialdesignad kiseldriftröntgendetektor.
Att kvantifiera sönderfallshastigheterna för kalium-40 och dess sönderfallsgrenar är svårt eftersom mätningar måste göras av moderkärnan och ett tillräckligt antal sällsynta avkommor. KDK Collaboration studerade en delmängd av kalium-40 som sönderfaller till argon-40 genom elektroninfångning, vilket utgör cirka 10 % av alla kalium-40-sönderfall.
Medan de flesta kalium-40 elektroninfångande sönderfall avger en karakteristisk gammastråle som är en bakgrund i de flesta experiment, sker en liten delmängd av dessa sönderfall utan någon gammastrålning. Detta händer när kalium-40 fångar en elektron som går direkt till argon-40-grundtillståndet.
KDK Collaboration gjorde den första direkta mätningen av detta förfall. Prestationen indikerar att andra sönderfallshastigheter också kan behöva omvärderas. Den sällsynta sönderfallsgrenen som KDK Collaboration identifierade och mätte ger unika experimentella bevis för så kallade förbjudna beta-sönderfall, påverkar förutsägelser om kärnstrukturer och tar bort en långvarig osäkerhet för kaliumbaserade geologiska och solsystems åldersuppskattningar.
Fynden förbättrar också bedömningen av bakgrunden i experiment som söker efter ny fysik utöver standardmodellen.
Mer information: 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, Bevis för marktillståndselektroninfångning av K40, Physical Review C (2023). DOI:10.1103/PhysRevC.108.014327
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , Fysisk granskning C
Tillhandahålls av US Department of Energy
