Física

Con una vida media de 1.250 millones de años, el potasio-40 no se desintegra con frecuencia, pero su desintegración tiene un gran impacto. Como isótopo relativamente común (0,012% de todo el potasio) de un metal muy común (2,4% en masa de la corteza terrestre), el potasio-40 es una de las principales fuentes de radiactividad que encontramos en la vida diaria. Sus desintegraciones son la fuente principal de argón-40, que constituye casi el 1% de la atmósfera, y la copiosa cantidad de calor liberada por estas desintegraciones desbarató las primeras estimaciones de la edad de la Tierra realizadas por Lord Kelvin. El potasio-40 es en gran medida responsable de la escasa radiactividad de nuestros alimentos (como los plátanos) y es una fuente importante de ruido en algunos detectores de física de partículas altamente sensibles. Este isótopo y sus productos de desintegración también son herramientas útiles para datar rocas y procesos geológicos que se remontan a las primeras etapas de la historia de la Tierra. Y, sin embargo, una cierta incertidumbre de larga data rodea a estas desintegraciones bien estudiadas. La colaboración KDK ha proporcionado la primera observación directa de un modo poco común de desintegración del potasio-40 en argón-40 [1, 2]. La tasa de desintegración medida implica una probabilidad menor de este modo de desintegración de lo que se suponía anteriormente. Los resultados tendrán implicaciones limitadas pero importantes para el campo de la geocronología, así como para otros campos que utilizan o buscan evitar los efectos de la descomposición de este elemento ubicuo.

El potasio-40 tiene un esquema de descomposición algo complicado. No es uranio, con sus cadenas de descendientes de larga vida. Pero tiene algunas características interesantes, ya que alrededor del 90% del potasio-40 se desintegra en calcio-40 por desintegración 𝛽- y la mayor parte del 10% restante se desintegra en el argón-40 antes mencionado por captura de electrones. Cuando una roca se solidifica, comienza con una cierta cantidad de potasio-40 pero casi nada de argón-40 (Fig. 1). Con el tiempo, el potasio-40 se descompone y produce argón-40 que permanece atrapado en la roca. Los geólogos pueden estimar la edad de la roca midiendo la concentración de estos diferentes elementos. Una forma de hacer esto, la llamada datación potasio-argón, es medir el potasio total (principalmente potasio-39) y calcular la cantidad de potasio-40 a partir de las abundancias relativas conocidas. Luego, este valor se combina con una medición de argón-40 para calcular la edad.

Un método de datación alternativo, más utilizado hoy en día, es transmutar una pequeña cantidad de potasio-39 de una roca en argón-39. Este argón-39 actúa como indicador de la cantidad de potasio y, por extensión, de la cantidad de potasio-40. Por tanto, los geólogos pueden utilizar la proporción entre argón-39 y argón-40 para determinar la edad de la roca. Esta técnica de datación argón-argón ofrece la ventaja de que las mediciones de espectrometría de masas se dirigen a isótopos del mismo elemento, lo que se puede realizar de forma más rápida y precisa que las comparaciones de diferentes elementos. La transmutación potasio-argón se produce mediante la activación de neutrones en un reactor, un proceso algo complicado que imparte una serie de reacciones y correcciones adicionales en la determinación de la edad.

Para convertir las abundancias de argón y potasio de ambos métodos en una edad, se debe cuantificar la tasa de desintegración general del potasio-40, así como las tasas de desintegración relativas de cada descendiente (proporciones de ramificación). Esto puede resultar sorprendentemente difícil, ya que requiere medir con precisión tanto el isótopo original como un número suficiente de desintegraciones extremadamente raras. El trabajo de la Colaboración KDK trata de un subconjunto poco común de aproximadamente el 10% del potasio-40 que se desintegra en argón-40 mediante captura de electrones. Aproximadamente el 99% de este 10% pasa a un estado excitado de argón-40, lo cual es una característica útil porque la posterior (casi inmediata) desintegración al estado fundamental del argón-40 emite un rayo gamma característico. Los investigadores pueden medir ese rayo gamma para ayudar a cuantificar la velocidad de este proceso y también para corregir su presencia en otras situaciones, como en los observatorios de materia oscura donde las desintegraciones radiactivas son una interferencia significativa.

Sin embargo, un subconjunto muy pequeño de desintegraciones del potasio-40 por captura de electrones va directamente al estado fundamental del argón-40, lo que significa que no hay rayos gamma, solo rayos X de baja energía que son difíciles de aislar. El resultado de cada captura de electrones es el mismo en lo que respecta a la geocronología (ambas desintegraciones producen un núcleo de argón-40 estable), pero la velocidad del subconjunto del estado directo al fundamental es mucho más difícil de medir. Predicho desde hace mucho tiempo, se ha estimado que representa hasta el 2% de las desintegraciones del argón-40 [3, 4], pero se ha omitido por completo en algunos modelos de desintegración comúnmente utilizados [5]. El trabajo de KDK, utilizando una cuidadosa medición de los espectros de rayos X y gamma producidos por una fuente enriquecida de potasio (descrita en [1] y con más detalle en [2]), muestra que, de hecho, está más cerca de la mitad de ese valor. Este resultado representa la primera medición directa de la tasa de desintegración del potasio-40 al estado fundamental de argón-40, y también implica la necesidad de una redeterminación de otras tasas de desintegración relacionadas. Como consecuencia, algunas edades potasio-argón pueden requerir correcciones cercanas al 1%, lo que afecta la edad de algunos meteoritos y rocas antiguas en decenas de millones de años.

Las implicaciones inmediatas para la datación argón-argón, como señalaron los investigadores, serán limitadas. La razón de esto es que la datación argón-argón es una técnica relativa; Se colocan estándares de edad conocida en el reactor nuclear junto con las muestras de roca para que la misma proporción de potasio-39 se transmute en argón-39 en ambos. Una de las ventajas de este enfoque es que las incertidumbres en muchas constantes físicas, como las tasas de desintegración, se cancelan parcialmente porque se aplican a los factores determinantes de la edad tanto de los estándares como de las muestras coirradiadas. Las edades absolutas de muchos estándares comunes tampoco se verán afectadas, porque en su mayor parte se basan en otros cronómetros, que emplean otros esquemas de desintegración (principalmente uranio-plomo [6]) o técnicas como la calibración de múltiples capas datadas en un sedimento. secuencia utilizando ciclos astronómicos [7]. Esto, sin embargo, es una debilidad del método argón-argón, ya que atribuye todas las fechas a los sesgos sistemáticos inherentes a estos otros métodos. Un objetivo a mediano plazo para este campo es mejorar la calibración directa del método argón-argón utilizando datación potasio-argón hasta el punto de que esta calibración pueda usarse para comparación independiente con técnicas como las de uranio-plomo. Esto requerirá una contabilidad exacta y precisa de todas las constantes físicas involucradas en la desintegración del potasio-40 en argón-40 y su incorporación a los minerales, incluidos modos de desintegración raros que afectan la constante de desintegración general y la proporción de ramificación del potasio-40. A medida que continúen los avances en el campo de la geocronología de alta precisión, correcciones como la que aquí se considera no harán más que crecer en importancia.

Stephen Ellis Cox es un geocronólogo y experto en espectrometría de masas de gases nobles que actualmente trabaja en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia. Ha trabajado en sitios de campo desde Kenia hasta Nueva Zelanda, y su investigación abarca temas que van desde el desarrollo de instrumentos y métodos hasta la datación de alta precisión de rocas volcánicas jóvenes y el impacto de la geología en la elaboración del vino.

M. Stukel et al. (Colaboración KDK)

Física. Rev. Lett. 131, 052503 (2023)

Publicado el 31 de julio de 2023

L. Hariasz et al. (Colaboración KDK)

Física. Rev. C 108, 014327 (2023)

Publicado el 31 de julio de 2023

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