Naukowcy z Paul Scherrer Institute PSI i Australian National University ponownie określili okres półtrwania samaru-146 z dużą precyzją. Wynik idealnie pasuje do danych, które astrofizycy i geochemicy uzyskali z próbek pozaziemskich. Badanie ukazało się dzisiaj w czasopiśmie Raporty naukowe Nature.
Samar-146 ma okres półtrwania wynoszący 103 miliony lat. Albo 68 milionów lat. A może 98 milionów lat? Do tej pory nie było to dokładnie znane, ponieważ badacze wielokrotnie uzyskiwali sprzeczne wyniki od czasu pierwszych pomiarów w latach 50. XX wieku. Dla astrofizyków i geochemików jest to poważny problem: muszą znać okres półtrwania samaru-146 tak dokładnie, jak to możliwe, aby wyjaśnić powstawanie asteroid i planet oraz datowanie skał. Teraz ich niepewność się skończyła. Samar-146 ma okres półtrwania wynoszący 92 miliony lat – co bardzo dobrze potwierdza się w ocenach wieku meteorytów i skał księżycowych.
Najbardziej precyzyjny wynik do tej pory
Wynik ten został osiągnięty przez zespół badaczy z Paul Scherrer Institute PSI w Villigen w Szwajcarii oraz Australian National University w Canberze. „Nasz wynik jest jak dotąd najbardziej precyzyjny” — mówi Dorothea Schumann, która kierowała zespołem. Fakt ten potwierdzają również recenzenci, którzy oceniali pracę: „To znakomity artykuł. Jest jak jajko Kolumba” — napisali. Szczególnie podkreślili, że w tej publikacji wszystkie kroki zostały opisane w sposób zrozumiały, dzięki czemu wynik jest w pełni możliwy do prześledzenia. „Jestem pod wrażeniem szczegółowej dokumentacji i kwantyfikacji możliwych artefaktów” — komentuje ekspert.
Istnieją ku temu dobre powody. W 2012 r. zespół z Japonii, Izraela i USA opublikował zaskakująco niską wartość okresu półtrwania samaru-146: 68 milionów lat, z niepewnością wynoszącą siedem milionów lat. Spowodowało to ogólnoświatową konsternację wśród geologów, ponieważ wartość ta nie odpowiadała ani starszym eksperymentom, ani danym pomiarowym z meteorytów użytym do datowania powstania naszego Układu Słonecznego. Ponieważ nikt nie mógł definitywnie stwierdzić, który z wyników był bardziej poprawny, zespół ekspertów zalecił równoległe stosowanie tej nowej wartości i wcześniej ustalonej wartości — sytuacja nie do utrzymania dla badaczy. Na przykład w przypadku skał księżycowych skutkowałoby to różnicami wynoszącymi 90 milionów lat, co odpowiada około 35 procentom ich wieku formowania. Następnie ulga nadeszła w 2023 r.: autorzy publikacji z 2012 r. zidentyfikowali niespójność w jednym z etapów przygotowywania próbki i w związku z tym wycofali swój artykuł.
Problem odłożony
Jednak w ten sposób problem został jedynie odroczony. Geolodzy nadal potrzebowali dokładniejszej wartości okresu półtrwania samaru-146 i niektórych innych radionuklidów, które odgrywają ważną rolę w datowaniu powstawania planet. Wszystkie te radioizotopy mają wspólną cechę, jaką jest okres półtrwania wynoszący wiele milionów lat. Tyle czasu zajmuje rozpad połowy materiału radioaktywnego. Samar-146 jest czystym emiterem alfa; atom emituje jądro helu i rozpada się na neodym-142. Ponieważ oczywiście nie można czekać milionów lat, aż znacząca ilość materiału ulegnie rozpadowi, potrzebne są inne metody, które mogą dać szybsze rezultaty.
W teorii jest to całkiem proste. Aby określić okres półtrwania dowolnego izotopu radioaktywnego, tylko trzeba określić liczbę atomów w próbce, a także aktywność, czyli szybkość rozpadu. Iloraz daje następnie okres półtrwania do stałego czynnika, logarytmu naturalnego 2. „Tylko” jest tutaj jednak bardzo optymistycznym słowem, ponieważ droga do dokładnego określenia dwóch wartości jest skomplikowana i pełna pułapek eksperymentalnych. Ale zespół znalazł rozwiązania dla wszystkich tych wyzwań.
Eksperyment podzielono na trzy części. Najpierw wyekstrahowano wystarczające ilości izotopu samaru-146, który nie występuje naturalnie na Ziemi. W tym celu próbki tantalu napromieniowane w szwajcarskim źródle neutronów spallacyjnych SINQ firmy PSI okazały się najbardziej odpowiednim materiałem. Po serii wysoce selektywnych separacji chemicznych uzyskano niezwykle czysty roztwór związku samaru, aby uzyskać bardzo cienką próbkę do pomiaru aktywności. Część roztworu osadzono na warstwie węglowej o grubości zaledwie 75 mikrometrów.
Po drugie, pomiar aktywności: Starannie przygotowana próbka samaru została umieszczona w ściśle określonej odległości od detektora promieniowania alfa. Warstwa samaru miała grubość zaledwie ułamka mikrometra, więc nie zatrzymywała cząstek alfa. Określając energię, naukowcy mogli również rozróżnić, czy cząstka alfa faktycznie pochodziła z rozpadu samaru-146. Aparat został skalibrowany przy użyciu bardzo precyzyjnie określonej próbki ameryku-241 wyprodukowanej przez niemiecki Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB w Brunszwiku. Ze względu na niewielką ilość samaru-146 — nawet ziarnko cukru pudru waży 10 razy więcej — zespół musiał przeprowadzać pomiary przez trzy miesiące, aby określić aktywność z wystarczającą precyzją; tempo wynosiło prawie 54 rozpady na godzinę.
Po trzecie, określenie liczby atomów: Tutaj roztwór samaru został zbadany pod kątem jego składu przy użyciu różnych spektrometrów masowych w PSI i na Australian National University poprzez zliczenie liczby atomów samaru-146, jak również wszystkich innych izotopów samaru obecnych w próbce. Po dodaniu dodatkowych ilości naturalnego samaru, który nie zawiera samaru-146, całkowita ilość wszystkich izotopów samaru, a także samaru-146, mogła zostać dokładnie określona. Ponieważ mieszanina zawierała również dodatkowy sztuczny izotop samaru, który emituje promieniowanie gamma, naukowcy byli w stanie wywnioskować, ile atomów samaru-146 zostało osadzonych na cienkiej folii: dokładnie 6,28 razy 1013 atomów lub tylko 0,000018 miligramów samaroksydu (146Sm2O3). Ponadto zespół był w stanie nie tylko stwierdzić wysoką czystość próbki, ale także faktycznie udowodnić to poprzez dodatkowe pomiary. „To specjalność naszego laboratorium w PSI, a recenzenci naszej publikacji szczególnie to podkreślili” — mówi Rugard Dressler z Laboratorium Radiochemii.
Gdy wszystkie te wyzwania eksperymentalne zostały przezwyciężone, reszta była sprawą dla kalkulatora kieszonkowego. Wynik dla okresu półtrwania samaru-146 wynosi 92,0 ±2,6 miliona lat.
Możliwe tylko w PSI
Pomiary te stały się całkowicie i wyłącznie wykonalne dzięki inicjatywie ERAWAST (Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology), długoterminowemu projektowi, który ponownie wykorzystuje radioaktywne odpady akceleratorowe z PSI do celów badawczych. W akceleratorze protonów PSI i szwajcarskim źródle neutronów spallacyjnych SINQ, wiele radioaktywnych izotopów powstaje w różnych reakcjach jądrowych. Większość z nich powoduje poważne problemy jedynie poprzez rozpad radioaktywny i dlatego jest klasyfikowana jako odpady radioaktywne, ale niektóre z nich są niezwykle rzadkie i wysoce pożądane w badaniach podstawowych. Naukowcy z grupy Isotope and Target Chemistry w Laboratory for Radiochemistry w PSI, kierowanej przez Dorotheę Schumann – kierowniczkę projektu, inicjatorkę inicjatywy ERAWAST, a także współautorkę artykułu o samarze – opracowali techniki chemicznego oddzielania wielu interesujących izotopów od odpadów i wytwarzania próbek o wysokiej czystości w ciągu ostatnich 15 lat. „Tylko w ten sposób udało się uzyskać wystarczającą ilość samaru-146 do precyzyjnego określenia jego okresu półtrwania – możliwości, która nie jest możliwa nigdzie indziej na świecie” – mówi Zeynep Talip, która obecnie kieruje grupą badawczą i jest również współautorką artykułu dotyczącego samaru.
Dla Rugarda Dresslera praca nad samarem-146 jest na razie ukończona. Dla innych dopiero się zaczyna. Fizyk z Laboratory for Radiochemistry w PSI podkreśla: „Nie ma ostatecznie poprawnej wartości okresu półtrwania samaru-146. Nasz wynik jest rzeczywiście bardzo precyzyjny, ale teraz musi zostać potwierdzony i, jeśli to możliwe, poprawiony przez inne grupy”.
