物理

半減期が 12 億 5,000 万年であるカリウム 40 は頻繁には崩壊しませんが、その崩壊は大きな影響を及ぼします。 非常に一般的な金属（地殻の 2.4 質量％）の比較的一般的な同位体（全カリウムの 0.012％）であるカリウム 40 は、私たちが日常生活で遭遇する主要な放射能源の 1 つです。 その崩壊は大気のほぼ 1% を構成するアルゴン 40 の主な発生源であり、これらの崩壊から放出される大量の熱は、ケルビン卿によって作成された地球の年齢の初期推定を狂わせました。 カリウム 40 は、私たちの食品 (バナナなど) に含まれるわずかな放射能の主な原因であり、一部の高感度の素粒子物理検出器では重大なノイズ源となっています。 この同位体とその崩壊生成物は、地球史の最も初期にまで遡る岩石や地質学的過程を年代測定する際にも有用なツールです。 しかし、これらのよく研究された崩壊については、長年にわたる不確実性がいくつかあります。 KDK コラボレーションは、カリウム 40 からアルゴン 40 へのまれな崩壊モードの最初の直接観察を提供しました [1、2]。 測定された減衰率は、この減衰モードの確率が以前に想定されていたよりも小さいことを意味します。 この結果は、地質年代学の分野だけでなく、この遍在する元素の崩壊の影響を利用または回避しようとする他の分野にも限定的ではあるが重要な影響を与えるだろう。

カリウム 40 の崩壊スキームはやや複雑です。 長命の子孫が連鎖するウランではありません。 しかし、これにはいくつかの興味深い特徴があり、カリウム 40 崩壊の約 90% は 𝛽- 崩壊によってカルシウム 40 になり、残りの 10% のほとんどは電子捕獲によって前述のアルゴン 40 になります。 岩石が固まるとき、最初はある程度のカリウム 40 が含まれていますが、アルゴン 40 はほとんど含まれません (図 1)。 時間の経過とともに、カリウム 40 は崩壊し、アルゴン 40 が生成され、岩石に閉じ込められたままになります。 地質学者は、これらのさまざまな元素の濃度を測定することで、岩石の年齢を推定できます。 これを行う 1 つの方法 (いわゆるカリウム - アルゴン年代測定法) は、総カリウム (主にカリウム 39) を測定し、既知の相対存在量からカリウム 40 の量を計算することです。 次に、この値をアルゴン 40 の測定値と組み合わせて年齢を計算します。

代替の年代測定法は、現在ではより一般的に使用されていますが、岩石中の少量のカリウム 39 をアルゴン 39 に変換することです。 このアルゴン 39 は、カリウムの量の代理として機能し、ひいてはカリウム 40 の量の代理として機能します。 したがって、地質学者はアルゴン 39 とアルゴン 40 の比率を使用して岩石の年代を決定できます。 このアルゴン-アルゴン年代測定手法には、質量分析測定が同じ元素の同位体を対象としており、異なる元素を比較するよりも迅速かつ正確に行うことができるという利点があります。 カリウムとアルゴンの核変換は、原子炉内での中性子放射化によって起こります。これは、年代測定に多数の追加反応と補正を加えるやや面倒なプロセスです。

両方の方法によるアルゴンとカリウムの存在量を年代に変換するには、カリウム 40 の全体的な崩壊速度と、各子孫に対する相対的な崩壊速度 (分岐比) を定量化する必要があります。 これは、親同位体と十分な数の非常にまれな崩壊の両方を正確に測定する必要があるため、驚くほど難しい場合があります。 KDK コラボレーションによる研究は、電子捕獲によってアルゴン 40 に崩壊するカリウム 40 の約 10% のまれなサブセットを扱います。 この 10% のうち約 99% はアルゴン 40 の励起状態になります。これは、その後 (ほぼ即時に) アルゴン 40 の基底状態に減衰して特徴的なガンマ線を放出するため、有益な機能です。 研究者は、そのガンマ線を測定して、このプロセスの速度を定量化するのに役立ち、また、放射性崩壊が重大な干渉となる暗黒物質観測所など、他の状況でのガンマ線の存在を補正することもできます。

しかし、カリウム 40 の電子捕獲崩壊のごく一部はアルゴン 40 の基底状態に直接変化します。これは、ガンマ線は存在せず、分離が困難な低エネルギー X 線だけであることを意味します。 地質年代学に関する限り、各電子捕獲の結果は同じです。どちらの崩壊でも安定したアルゴン 40 原子核が生成されます。しかし、基底状態への直接遷移のサブセットの割合を測定するのははるかに困難です。 長い間予測されてきたことですが、これはアルゴン 40 への崩壊の 2% にもなると推定されています [3, 4] が、一般的に使用されているいくつかの崩壊モデルからは完全に省略されています [5]。 KDK の研究では、濃縮カリウム源 ([1] で説明され、[2] で詳しく説明されています) によって生成される X 線とガンマ線のスペクトルを注意深く測定し、実際にはその値の半分に近いことが示されています。 この結果は、カリウム 40 のアルゴン 40 基底状態への崩壊速度の最初の直接測定を表しており、他の関連する崩壊速度の再決定の必要性も示唆しています。 その結果、一部のカリウムとアルゴンの年代は 1% 近くの修正が必要となり、一部の古い隕石や岩石の年代に数千万年影響を与える可能性があります。