Física

Com meia-vida de 1,25 bilhão de anos, o potássio-40 não se decompõe com frequência, mas seu decaimento tem um grande impacto. Sendo um isótopo relativamente comum (0,012% de todo o potássio) de um metal muito comum (2,4% em massa da crosta terrestre), o potássio-40 é uma das principais fontes de radioatividade que encontramos na vida diária. Seus decaimentos são a principal fonte de argônio-40, que constitui quase 1% da atmosfera, e a grande quantidade de calor liberado por esses decaimentos prejudicou as primeiras estimativas da idade da Terra feitas por Lord Kelvin. O potássio-40 é em grande parte responsável pela escassa radioatividade em nossos alimentos (como bananas) e é uma fonte significativa de ruído em alguns detectores de física de partículas altamente sensíveis. Este isótopo e seus produtos de decaimento também são ferramentas úteis na datação de rochas e processos geológicos que remontam aos primórdios da história da Terra. E, no entanto, alguma incerteza de longa data rodeia estes decaimentos bem estudados. A Colaboração KDK forneceu a primeira observação direta de um raro modo de decaimento do potássio-40 para o argônio-40 [1, 2]. A taxa de decaimento medida implica uma probabilidade menor deste modo de decaimento do que o assumido anteriormente. Os resultados terão implicações limitadas, mas importantes para o campo da geocronologia, bem como para outros campos que utilizam ou procuram evitar os efeitos da decadência deste elemento onipresente.

O Potássio-40 tem um esquema de decaimento um tanto complicado. Não é urânio, com as suas cadeias de descendentes longevos. Mas tem algumas características interessantes, com cerca de 90% do potássio-40 decaindo para o cálcio-40 por decaimento 𝛽− e a maior parte dos 10% restantes indo para o já mencionado argônio-40 por captura de elétrons. Quando uma rocha se solidifica, ela começa com uma certa quantidade de potássio-40, mas quase nenhum argônio-40 (Fig. 1). Com o tempo, o potássio-40 decai, produzindo argônio-40 que permanece preso na rocha. Os geólogos podem estimar a idade da rocha medindo a concentração destes diferentes elementos. Uma maneira de fazer isso – a chamada datação potássio-argônio – é medir o potássio total (principalmente potássio-39) e calcular a quantidade de potássio-40 a partir das abundâncias relativas conhecidas. Este valor é então combinado com uma medição de argônio-40 para calcular a idade.

Um método alternativo de datação – mais comumente usado hoje em dia – é transmutar uma pequena quantidade de potássio-39 em uma rocha em argônio-39. Este argônio-39 atua como um proxy para a quantidade de potássio e, por extensão, para a quantidade de potássio-40. Os geólogos podem, portanto, usar a proporção de argônio-39 para argônio-40 para determinar a idade da rocha. Esta técnica de datação argônio-argônio oferece a vantagem de que as medições de espectrometria de massa visam isótopos do mesmo elemento, o que pode ser feito de forma mais rápida e precisa do que comparações de elementos diferentes. A transmutação potássio-argônio ocorre através da ativação de nêutrons em um reator, um processo um tanto confuso que proporciona uma série de reações e correções adicionais na determinação da idade.

Para converter as abundâncias de argônio e potássio de ambos os métodos em uma idade, deve-se quantificar a taxa geral de decaimento do potássio-40, bem como as taxas de decaimento relativas para cada descendente (razões de ramificação). Isto pode ser surpreendentemente difícil, pois requer a medição precisa do isótopo original e de um número suficiente de decaimentos extremamente raros. O trabalho da Colaboração KDK trata de um subconjunto raro de aproximadamente 10% do potássio-40 que decai em argônio-40 por captura de elétrons. Cerca de 99% desses 10% vão para um estado excitado de argônio-40, o que é um recurso útil porque o decaimento subsequente (quase imediato) para o estado fundamental do argônio-40 emite um raio gama característico. Os investigadores podem medir esses raios gama para ajudar a quantificar a taxa deste processo e também para corrigir a sua presença noutras situações, como em observatórios de matéria escura onde os decaimentos radioactivos são uma interferência significativa.

No entanto, um subconjunto muito pequeno de decaimentos de captura de elétrons do potássio-40 vai diretamente para o estado fundamental do argônio-40, o que significa que não há raios gama, apenas raios X de baixa energia que são difíceis de isolar. O resultado de cada captura de elétrons é o mesmo no que diz respeito à geocronologia - ambos os decaimentos produzem um núcleo de argônio-40 estável - mas a taxa do subconjunto direto ao estado fundamental é muito mais difícil de medir. Previsto há muito tempo, foi estimado em até 2% dos decaimentos do argônio-40 [3, 4], mas foi omitido inteiramente de alguns modelos de decaimento comumente usados ​​[5]. O trabalho do KDK, utilizando medições cuidadosas dos espectros de raios X e raios gama produzidos por uma fonte enriquecida de potássio (descrita em [1] e mais detalhadamente em [2]), mostra que está de facto perto de metade desse valor. Este resultado representa a primeira medição direta da taxa de decaimento do potássio-40 para o estado fundamental do argônio-40 e também implica a necessidade de uma redeterminação de outras taxas de decaimento relacionadas. Como consequência, algumas idades de potássio-argônio podem exigir correções próximas de 1%, afetando a idade de alguns meteoritos e rochas antigas em dezenas de milhões de anos.