Physik

Mit einer Halbwertszeit von 1,25 Milliarden Jahren zerfällt Kalium-40 nicht oft, aber seine Zerfälle haben große Auswirkungen. Als relativ häufiges Isotop (0,012 % des gesamten Kaliums) eines sehr häufig vorkommenden Metalls (2,4 % der Masse der Erdkruste) ist Kalium-40 eine der Hauptquellen für Radioaktivität, der wir im täglichen Leben begegnen. Seine Zerfälle sind die Hauptquelle von Argon-40, das fast 1 % der Atmosphäre ausmacht, und die große Menge an Wärme, die bei diesen Zerfällen freigesetzt wird, hat die frühen Schätzungen des Lord Kelvin über das Alter der Erde zunichte gemacht. Kalium-40 ist maßgeblich für die geringe Radioaktivität in unseren Lebensmitteln (z. B. Bananen) verantwortlich und stellt in einigen hochempfindlichen Teilchenphysik-Detektoren eine erhebliche Lärmquelle dar. Dieses Isotop und seine Zerfallsprodukte sind auch nützliche Werkzeuge zur Datierung von Gesteinen und geologischen Prozessen, die bis in die frühesten Teile der Erdgeschichte zurückreichen. Dennoch gibt es seit langem eine gewisse Ungewissheit über diese gut untersuchten Zerfälle. Die KDK-Kollaboration hat die erste direkte Beobachtung eines seltenen Zerfallsmodus von Kalium-40 zu Argon-40 geliefert [1, 2]. Die gemessene Zerfallsrate impliziert eine geringere Wahrscheinlichkeit dieses Zerfallsmodus als bisher angenommen. Die Ergebnisse werden begrenzte, aber wichtige Implikationen für den Bereich der Geochronologie sowie für andere Bereiche haben, die die Auswirkungen des Zerfalls dieses allgegenwärtigen Elements entweder nutzen oder vermeiden wollen.

Kalium-40 hat ein etwas kompliziertes Zerfallsschema. Es ist kein Uran mit seinen Ketten langlebiger Nachkommen. Aber es weist einige interessante Merkmale auf: Etwa 90 % der Kalium-40-Zerfälle gehen durch 𝛽−-Zerfall in Calcium-40 über, und die meisten der restlichen 10 % gehen durch Elektroneneinfang in das oben erwähnte Argon-40 über. Wenn ein Gestein erstarrt, enthält es zunächst eine bestimmte Menge Kalium-40, aber fast kein Argon-40 (Abb. 1). Mit der Zeit zerfällt Kalium-40 und es entsteht Argon-40, das im Gestein eingeschlossen bleibt. Geologen können das Alter des Gesteins abschätzen, indem sie die Konzentration dieser verschiedenen Elemente messen. Eine Möglichkeit dazu – die sogenannte Kalium-Argon-Datierung – besteht darin, das Gesamtkalium (hauptsächlich Kalium-39) zu messen und die Menge an Kalium-40 aus den bekannten relativen Häufigkeiten zu berechnen. Dieser Wert wird dann mit einer Argon-40-Messung kombiniert, um ein Alter zu berechnen.

Eine alternative Datierungsmethode, die heutzutage häufiger verwendet wird, besteht darin, eine kleine Menge Kalium-39 in einem Gestein in Argon-39 umzuwandeln. Dieses Argon-39 fungiert als Stellvertreter für die Menge an Kalium und damit auch für die Menge an Kalium-40. Geologen können daher anhand des Verhältnisses von Argon-39 zu Argon-40 das Alter des Gesteins bestimmen. Diese Argon-Argon-Datierungstechnik bietet den Vorteil, dass die massenspektrometrischen Messungen auf Isotope desselben Elements abzielen, was schneller und präziser durchgeführt werden kann als Vergleiche verschiedener Elemente. Die Kalium-Argon-Transmutation erfolgt durch Neutronenaktivierung in einem Reaktor, ein etwas chaotischer Prozess, der eine Reihe zusätzlicher Reaktionen und Korrekturen bei der Altersbestimmung mit sich bringt.

Um die Argon- und Kaliumhäufigkeit beider Methoden in ein Alter umzuwandeln, muss man die Gesamtzerfallsrate von Kalium-40 sowie die relativen Zerfallsraten für jeden Nachkommen (Verzweigungsverhältnisse) quantifizieren. Dies kann überraschend schwierig sein, da es eine genaue Messung sowohl des Ausgangsisotops als auch einer ausreichenden Anzahl extrem seltener Zerfälle erfordert. Die Arbeit der KDK-Kollaboration befasst sich mit einer seltenen Teilmenge der etwa 10 % des Kalium-40, das durch Elektroneneinfang in Argon-40 zerfällt. Etwa 99 % dieser 10 % gehen in den angeregten Zustand von Argon-40 über, was eine nützliche Eigenschaft ist, da der anschließende (fast sofortige) Zerfall in den Grundzustand von Argon-40 eine charakteristische Gammastrahlung aussendet. Forscher können diese Gammastrahlung messen, um die Geschwindigkeit dieses Prozesses zu quantifizieren und auch um sein Vorhandensein in anderen Situationen zu korrigieren, beispielsweise in Observatorien für dunkle Materie, wo radioaktive Zerfälle eine erhebliche Störung darstellen.

Allerdings geht ein sehr kleiner Teil der Elektroneneinfangzerfälle von Kalium-40 direkt in den Grundzustand von Argon-40 über, was bedeutet, dass es keine Gammastrahlung gibt, sondern nur Röntgenstrahlen mit niedriger Energie, die schwer zu isolieren sind. Das Ergebnis jedes Elektroneneinfangs ist aus geochronologischer Sicht das gleiche – beide Zerfälle erzeugen einen stabilen Argon-40-Kern –, aber die Geschwindigkeit der Teilmenge, die direkt in den Grundzustand übergeht, ist viel schwieriger zu messen. Es wurde schon lange vorhergesagt, dass er bis zu 2 % der Zerfälle zu Argon-40 ausmacht [3, 4], wurde jedoch in einigen häufig verwendeten Zerfallsmodellen vollständig weggelassen [5]. Die KDK-Arbeit zeigt anhand sorgfältiger Messungen der Röntgen- und Gammastrahlenspektren, die von einer angereicherten Kaliumquelle erzeugt werden (beschrieben in [1] und ausführlicher in [2]), dass dieser Wert tatsächlich eher bei der Hälfte dieses Wertes liegt. Dieses Ergebnis stellt die erste direkte Messung der Zerfallsrate von Kalium-40 in den Argon-40-Grundzustand dar und impliziert auch die Notwendigkeit einer Neubestimmung anderer verwandter Zerfallsraten. Infolgedessen erfordern einige Kalium-Argon-Alter möglicherweise Korrekturen von nahezu 1 %, was sich auf das Alter einiger alter Meteoriten und Gesteine ​​um mehrere zehn Millionen Jahre auswirkt.

Die unmittelbaren Auswirkungen auf die Argon-Argon-Datierung werden, wie die Forscher betonten, begrenzt sein. Der Grund dafür ist, dass die Argon-Argon-Datierung eine relative Technik ist; Standards bekannten Alters werden zusammen mit den Gesteinsproben in den Kernreaktor gegeben, so dass in beiden der gleiche Anteil an Kalium-39 in Argon-39 umgewandelt wird. Einer der Vorteile dieses Ansatzes besteht darin, dass sich die Unsicherheiten vieler physikalischer Konstanten – wie etwa der Zerfallsraten – teilweise aufheben, da sie sich auf die altersbestimmenden Faktoren sowohl der Standards als auch der kobestrahlten Proben beziehen. Auch das absolute Alter vieler gängiger Standards bleibt davon unberührt, da sie größtenteils auf anderen Chronometern basieren und entweder andere Zerfallsschemata (hauptsächlich Uran-Blei [6]) oder Techniken wie die Kalibrierung mehrerer datierter Schichten in einem Sediment nutzen Sequenz mithilfe astronomischer Zyklen [7]. Dies ist jedoch eine Schwäche der Argon-Argon-Methode, da sie alle Daten auf die systematischen Verzerrungen dieser anderen Methoden festlegt. Ein mittelfristiges Ziel für das Fachgebiet besteht darin, die direkte Kalibrierung der Argon-Argon-Methode mithilfe der Kalium-Argon-Datierung so weit zu verbessern, dass diese Kalibrierung für einen unabhängigen Vergleich mit Techniken wie der Uran-Blei-Methode verwendet werden kann. Dies erfordert eine genaue und präzise Erfassung aller physikalischen Konstanten, die am Zerfall von Kalium-40 zu Argon-40 und seinem Einbau in Mineralien beteiligt sind, einschließlich seltener Zerfallsmodi, die sich auf die Gesamtzerfallskonstante und das Verzweigungsverhältnis von Kalium-40 auswirken. Mit fortschreitenden Fortschritten auf dem Gebiet der hochpräzisen Geochronologie werden Korrekturen wie die hier betrachtete immer wichtiger.

Stephen Ellis Cox ist Geochronologe und Experte für Edelgas-Massenspektrometrie und arbeitet derzeit am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University. Er hat an Feldstandorten von Kenia bis Neuseeland gearbeitet und seine Forschung umfasst Themen von der Entwicklung von Instrumenten und Methoden über die hochpräzise Datierung junger Vulkangesteine ​​bis hin zum Einfluss der Geologie auf die Weinherstellung.

M. Stukel et al. (KDK-Zusammenarbeit)

Physik. Rev. Lett. 131, 052503 (2023)

Veröffentlicht am 31. Juli 2023

L. Hariasz et al. (KDK-Zusammenarbeit)

Physik. Rev. C 108, 014327 (2023)

Veröffentlicht am 31. Juli 2023

Die erste Beobachtung von Neutrinos, die an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurden, eröffnet ein neues Forschungsgebiet und bietet Möglichkeiten, die Grenzen des Standardmodells zu testen. Mehr lesen "

Laborexperimente klären die Richtungen und Geschwindigkeiten auf, mit denen sich Schallwellen in der Eisenart ausbreiten, aus der wahrscheinlich der Erdkern besteht. Mehr lesen "

Ein Laserexperiment liefert einen Proof-of-Principle-Test für ein alternatives Fusionskonzept, bei dem Ziele aus flüssigem Brennstoff anstelle von herkömmlichem gefrorenem Brennstoff verwendet werden. Mehr lesen "