Fisica

Con un tempo di dimezzamento di 1,25 miliardi di anni, il potassio-40 non decade spesso, ma i suoi decadimenti hanno un grande impatto. Essendo un isotopo relativamente comune (0,012% di tutto il potassio) di un metallo molto comune (2,4% in massa della crosta terrestre), il potassio-40 è una delle principali fonti di radioattività che incontriamo nella vita quotidiana. I suoi decadimenti sono la fonte primaria di argon-40, che costituisce quasi l’1% dell’atmosfera, e l’abbondante quantità di calore rilasciato da questi decadimenti ha sconvolto le prime stime dell’età della Terra fatte da Lord Kelvin. Il potassio-40 è in gran parte responsabile della scarsa radioattività dei nostri alimenti (come le banane) ed è una significativa fonte di rumore in alcuni rilevatori di fisica delle particelle altamente sensibili. Questo isotopo e i suoi prodotti di decadimento sono anche strumenti utili per datare rocce e processi geologici che risalgono alle prime parti della storia della Terra. Eppure alcune incertezze di lunga data circondano questi decadimenti ben studiati. La Collaborazione KDK ha fornito la prima osservazione diretta di una rara modalità di decadimento del potassio-40 in argon-40 [1, 2]. Il tasso di decadimento misurato implica una probabilità minore di questa modalità di decadimento rispetto a quanto precedentemente ipotizzato. I risultati avranno implicazioni limitate ma importanti per il campo della geocronologia, così come per altri campi che utilizzano o cercano di evitare gli effetti del decadimento di questo elemento onnipresente.

Il potassio-40 ha uno schema di decadimento alquanto complicato. Non è l'uranio, con le sue catene di discendenti longevi. Ma ha alcune caratteristiche interessanti, con circa il 90% dei decadimenti del potassio-40 che vanno al calcio-40 mediante decadimento 𝛽− e la maggior parte del restante 10% va al già citato argon-40 mediante cattura elettronica. Quando una roccia si solidifica, inizialmente contiene una certa quantità di potassio-40 ma quasi nessuna argon-40 (Fig. 1). Nel corso del tempo, il potassio-40 decade, producendo argon-40 che rimane intrappolato nella roccia. I geologi possono stimare l'età della roccia misurando la concentrazione di questi diversi elementi. Un modo per farlo, la cosiddetta datazione potassio-argon, è misurare il potassio totale (principalmente potassio-39) e calcolare la quantità di potassio-40 dalle abbondanze relative note. Questo valore viene quindi combinato con una misurazione dell'argon-40 per calcolare un'età.

Un metodo di datazione alternativo, più comunemente usato oggigiorno, consiste nel trasmutare una piccola quantità di potassio-39 presente in una roccia in argon-39. Questo argon-39 funge da proxy per la quantità di potassio e, per estensione, per la quantità di potassio-40. I geologi possono quindi utilizzare il rapporto tra argon-39 e argon-40 per determinare l'età della roccia. Questa tecnica di datazione argon-argon offre il vantaggio che le misurazioni della spettrometria di massa prendono di mira gli isotopi dello stesso elemento, cosa che può essere eseguita in modo più rapido e preciso rispetto ai confronti di elementi diversi. La trasmutazione potassio-argon avviene attraverso l’attivazione dei neutroni in un reattore, un processo un po’ disordinato che impartisce una serie di reazioni aggiuntive e correzioni alla determinazione dell’età.

Per convertire le abbondanze di argon e potassio da entrambi i metodi in un'età, è necessario quantificare il tasso di decadimento complessivo del potassio-40, nonché i tassi di decadimento relativi per ciascun discendente (rapporti di ramificazione). Ciò può essere sorprendentemente difficile, poiché richiede la misurazione accurata sia dell'isotopo genitore che di un numero sufficiente di decadimenti estremamente rari. Il lavoro della Collaborazione KDK si occupa di un raro sottoinsieme di circa il 10% del potassio-40 che decade in argon-40 mediante cattura elettronica. Circa il 99% di questo 10% va allo stato eccitato dell'argon-40, che è una caratteristica utile perché il successivo (quasi immediato) decadimento allo stato fondamentale dell'argon-40 emette un caratteristico raggio gamma. I ricercatori possono misurare quei raggi gamma per aiutare a quantificare la velocità di questo processo e anche per correggere la sua presenza in altre situazioni, come negli osservatori della materia oscura dove i decadimenti radioattivi rappresentano un’interferenza significativa.

Tuttavia, un sottoinsieme molto piccolo di decadimenti del potassio-40 dovuti alla cattura elettronica va direttamente allo stato fondamentale dell’argon-40, il che significa che non ci sono raggi gamma, ma solo raggi X a bassa energia difficili da isolare. Il risultato di ciascuna cattura di elettroni è lo stesso per quanto riguarda la geocronologia: entrambi i decadimenti producono un nucleo stabile di argon-40, ma la velocità del sottoinsieme diretto allo stato fondamentale è molto più difficile da misurare. Previsto da tempo, è stato stimato che rappresenti fino al 2% dei decadimenti in argon-40 [3, 4] ma è stato completamente omesso da alcuni modelli di decadimento comunemente usati [5]. Il lavoro del KDK, utilizzando un'attenta misurazione degli spettri di raggi X e gamma prodotti da una fonte di potassio arricchita (descritta in [1] e più dettagliatamente in [2]), mostra che in realtà è più vicino alla metà di quel valore. Questo risultato rappresenta la prima misurazione diretta del tasso di decadimento del potassio-40 nello stato fondamentale dell'argon-40 e implica anche la necessità di rideterminare altri tassi di decadimento correlati. Di conseguenza, alcune età del potassio e dell'argon possono richiedere correzioni prossime all'1%, influenzando l'età di alcuni vecchi meteoriti e rocce di decine di milioni di anni.