Сотрудничество «Распад калия» (KDK) использовало установку KDK для обнаружения ранее неизмеренного процесса радиоактивного распада калия-40 до аргона-40, включающего редкий тип захвата электронов.
Кредит: Сотрудничество КДК

Некоторые ядра некоторых элементов радиоактивно распадаются на ядра других элементов. Эти распады могут быть полезными или раздражающими в зависимости от контекста. Особенно это касается калия-40. Этот изотоп обычно распадается до кальция-40, но примерно в 10% случаев он распадается до аргона-40.

Этот путь распада включает в себя процесс, называемый захватом электронов, который предоставляет информацию о структуре ядра. Он также может определять возраст геологических объектов в масштабе времени в миллиарды лет, поскольку калий-40 имеет очень длительный период полураспада. Длительный период полураспада затрудняет поиск дополнительных путей распада калия-40.

Теперь в ходе месячной кампании были сделаны первые прямые наблюдения очень редкого, но критического пути распада калия-40 до аргона-40. Результат может улучшить понимание учёными физических процессов и повысить точность геологического датирования. Исследование опубликовано в журналах Physical Review Letters и Physical Review C.

Большинство распадов калия-40 с захватом электронов приводят к образованию возбужденной формы аргона-40. Коллаборация «Распад калия» (KDK) измерила редкий, теоретически рассчитанный распад электронного захвата, который вместо этого приводит к основному состоянию калия-40. Теоретические расчеты имеют широкий диапазон предсказаний. Этот диапазон ограничивает использование калия-40 для определения возраста геологических особенностей и особенностей Солнечной системы.

Экспериментальный результат команды уменьшает этот диапазон. Результат также улучшает оценки свойств калия, которые необходимы ученым для определенных физических экспериментов.

Наконец, результат позволяет предположить, что безнейтринный двойной бета-распад происходит с более низкой, чем ожидалось, скоростью для ядер легких элементов.

Радиоактивные ядра распадаются по одному или нескольким модам, и эти распады приводят к образованию более стабильных изотопов. Коллаборация KDK измерила редкую ветвь распада калия-40 в установке радиоактивных ионных пучков Холифилда Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) с использованием установки KDK (K = Калий DK = Распад). Установка KDK состоит из модульного спектрометра полного поглощения ORNL в сочетании со специально разработанным кремниевым дрейфовым детектором рентгеновского излучения.

Количественное определение скорости распада калия-40 и его ветвей распада затруднено, поскольку необходимо провести измерения родительского ядра и достаточного количества редких потомков. Коллаборация KDK изучила разновидность калия-40, которая распадается на аргон-40 в результате захвата электронов, что составляет около 10% всех распадов калия-40.

В то время как большинство распадов калия-40 с захватом электронов испускают характерные гамма-лучи, которые являются фоном в большинстве экспериментов, небольшая часть этих распадов происходит без какого-либо излучения гамма-лучей. Это происходит, когда калий-40 захватывает электрон, который переходит непосредственно в основное состояние аргона-40.

Коллаборация KDK провела первое прямое измерение этого распада. Это достижение указывает на то, что другие скорости распада также могут нуждаться в переоценке. Редкая ветвь распада, которую обнаружила и измерила Коллаборация KDK, предоставляет уникальные экспериментальные доказательства так называемых запрещенных бета-распадов, влияет на предсказания ядерной структуры и устраняет давнюю неопределенность в оценках геологического возраста и возраста Солнечной системы на основе калия.

Полученные результаты также улучшают оценку фона, присутствующего в экспериментах по поиску новой физики за пределами Стандартной модели.