Wetenschap
Samenwerking identificeert zeldzaam nucleair verval in langlevende kaliumisotoop
Dit vervalpad omvat een proces dat elektronenvangst wordt genoemd en dat informatie verschaft over de nucleaire structuur. Het kan ook de ouderdom van geologische objecten bepalen op een tijdschaal van miljarden jaren, omdat kalium-40 een zeer lange halfwaardetijd heeft. De lange halfwaardetijd maakt het lastig om aanvullende manieren te vinden waarop kalium-40 vervalt.
Nu zijn tijdens een campagne van een maand de eerste directe waarnemingen gedaan van een zeer zeldzaam maar kritisch vervalpad van kalium-40 naar argon-40. Het resultaat kan het inzicht van wetenschappers in natuurkundige processen verbeteren en de nauwkeurigheid van geologische dateringen vergroten. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters en Fysieke beoordeling C .
Het meeste verval van kalium-40 door elektronenvangst leidt tot een aangeslagen vorm van argon-40. De Potassium Decay (KDK) Collaboration heeft een zeldzaam, theoretisch berekend verval van elektronenvangst gemeten dat in plaats daarvan leidt tot de kalium-40-grondtoestand. De theoretische berekeningen hebben een breed scala aan voorspellingen. Dit bereik beperkt het gebruik van kalium-40 voor het bepalen van de ouderdom van geologische kenmerken en kenmerken van het zonnestelsel.
Het experimentele resultaat van het team verkleint dit bereik. Het resultaat verbetert ook de schattingen van kaliumeigenschappen die wetenschappers nodig hebben voor bepaalde natuurkundige experimenten.
Ten slotte suggereert het resultaat dat neutrinoloos dubbel-bèta-verval plaatsvindt met een lagere snelheid dan verwacht voor kernen van lichte elementen.
Radioactieve kernen vervallen op een of meer manieren, en dit verval resulteert in stabielere isotopen. De KDK Collaboration heeft een zeldzame vervaltak van kalium-40 gemeten in de Holifield Radioactive Ion Beam Facility van Oak Ridge National Laboratory (ORNL) met behulp van de KDK-array (K =Kalium DK =Verval). De KDK-array bestaat uit ORNL's modulaire totale absorptiespectrometer, gekoppeld aan een speciaal ontworpen siliciumdrift-röntgendetector.
Het kwantificeren van de vervalsnelheden van kalium-40 en zijn vervaltakken is moeilijk omdat metingen moeten worden gedaan aan de moederkern en een voldoende aantal zeldzame nakomelingen. De KDK Collaboration heeft een subset van kalium-40 bestudeerd die vervalt tot argon-40 door elektronenvangst, wat ongeveer 10% van al het verval van kalium-40 uitmaakt.
Terwijl het meeste verval van kalium-40-elektronenvangst een karakteristieke gammastraling uitzendt die een achtergrond vormt in de meeste experimenten, vindt een kleine subset van dit verval plaats zonder enige emissie van gammastraling. Dit gebeurt wanneer kalium-40 een elektron vangt dat rechtstreeks naar de grondtoestand van argon-40 gaat.
De KDK Collaboration maakte de eerste directe meting van dit verval. De prestatie geeft aan dat andere vervalpercentages mogelijk ook opnieuw moeten worden beoordeeld. De zeldzame vervaltak die de KDK Collaboration heeft geïdentificeerd en gemeten, levert uniek experimenteel bewijs van zogenaamd verboden bèta-verval, beïnvloedt voorspellingen van de nucleaire structuur en neemt een al lang bestaande onzekerheid weg voor op kalium gebaseerde schattingen van de geologische leeftijd en de leeftijd van het zonnestelsel.
De bevindingen verbeteren ook de beoordeling van de achtergrond die aanwezig is in experimenten op zoek naar nieuwe natuurkunde buiten het standaardmodel.