Istraživači sa Instituta Paul Scherrer PSI i Australijskog nacionalnog univerziteta ponovo su odredili vreme poluraspada samarijuma-146 sa velikom preciznošću. Rezultat se savršeno uklapa sa podacima koje su astrofizičari i geohemičari dobili od vanzemaljskih uzoraka. Studija je objavljena danas u časopisu Naučni izveštaji.
Samarijum-146 ima vreme poluraspada od 103 miliona godina. Ili 68 miliona godina. Ili možda 98 miliona godina? Do sada se to nije tačno znalo, jer su istraživači u više navrata dolazili do kontradiktornih rezultata od prvih merenja 1950-ih.
Za astrofizičare i geohemičare ovo je veliki problem. Moraju da znaju period poluraspada samarijuma-146 što je preciznije moguće da bi objasnili formiranje asteroida i planeta i precizno datirali stene. Sada je njihova neizvesnost završena. Samarijum-146 ima vreme poluraspada od 92 miliona godina — što je veoma dobro u skladu sa procenom starosti meteorita i mesečevih stena.
Ovaj rezultat je postigao tim istraživača sa Paul Scherrer instituta PSI u Villigenu, Švajcarska, i Australijskog nacionalnog univerziteta u Kanberi. „Naš rezultat je najprecizniji do sada“, kaže Dorotea Šuman, koja je predvodila tim.
To su priznali i recenzenti koji su ocenili rad: „Ovo je izvanredan rad. To je kao Kolumbovo jaje“, napisali su. Posebno su istakli da su u ovoj publikaciji svi koraci opisani na razumljiv način i da je rezultat u potpunosti sledljiv. „Impresioniran sam detaljnom dokumentacijom i kvantifikacijom mogućih artefakata“, navode recenzenti.
Za to postoje dobri razlozi. 2012. godine, tim iz Japana, Izraela i SAD objavio je iznenađujuće nisku vrednost za vreme poluraspada samarijuma-146: 68 miliona godina, sa nesigurnošću od 7 miliona godina. To je izazvalo svetsku konsternaciju među geonaučnikima, jer se ova vrednost nije poklapala ni sa starijim eksperimentima ni sa podacima merenja meteorita koji su korišćeni za formiranje našeg Sunčevog sistema.
Pošto niko nije mogao definitivno da zaključi koji je od ishoda ispravniji rezultat, tim stručnjaka je preporučio da se ova nova vrednost i prethodno ustanovljena vrednost koriste paralelno – što je neodrživa situacija za istraživače. Za mesečeve stene, na primer, to bi rezultiralo razlikama od 90 miliona godina, što odgovara oko 35% starosti njihovog formiranja.
Onda je olakšanje došlo 2023.: autori publikacije iz 2012. identifikovali su nedoslednost u jednom od koraka tokom pripreme uzorka i posledično su povukli svoj rad.
Time je, međutim, problem samo odložen. Geonaučnici su i dalje zahtevali tačniju vrednost za vreme poluraspada samarijuma-146 i nekih drugih radionuklida koji igraju važnu ulogu u datiranju formiranja planeta. Ono što je zajedničko svim ovim radioizotopima je vreme poluraspada od mnogo miliona godina. Toliko vremena je potrebno da se polovina radioaktivnog materijala raspadne.
Samarijum-146 je čist alfa emiter; atom emituje jezgro helijuma i raspada se u neodimijum-142. Pošto očigledno ne možete čekati milione godina da se značajna količina materijala raspadne, potrebne su druge metode koje mogu brže da daju rezultate.
U teoriji, to je prilično jednostavno. Da biste odredili vreme poluraspada bilo kog radioaktivnog izotopa, potrebno je samo da odredite broj atoma u uzorku, kao i aktivnost, odnosno brzinu raspadanja. Količnik tada daje vreme poluraspada do konstantnog faktora, prirodnog logaritma od 2.
„Samo“ je ovde, međutim, vrlo optimistična mala reč, jer je put do tačnog određivanja dve vrednosti komplikovan i popločan eksperimentalnim zamkama. Ali tim je pronašao rešenja za sve ove izazove.
Eksperiment je podeljen na tri dela. Prvo je došlo do ekstrakcije dovoljnih količina izotopa samarijuma-146, koji se prirodno ne javlja na Zemlji. U tu svrhu, uzorci tantala ozračeni na PSI-jevom švajcarskom izvoru neutrona SINK ispostavilo se da su najpogodniji materijal.
Posle serije visoko selektivnih hemijskih separacija, dobijen je izuzetno čist rastvor jedinjenja samarijuma da bi se dobio veoma tanak uzorak za merenje aktivnosti. Deo rastvora je deponovan na ugljenični film debljine samo 75 mikrometara.
Drugo je bilo merenje aktivnosti: pažljivo pripremljen uzorak samarijuma postavljen je na dobro definisanoj udaljenosti od detektora alfa zračenja. Samarijumski film je bio samo delić mikrometra, tako da ne bi zaustavio alfa čestice. Određivanjem energije, istraživači su takođe mogli da razaberu da li je alfa čestica zaista nastala raspadom samarijuma-146.
Aparat je kalibrisan sa veoma precizno određenim uzorkom americijuma-241 koji je proizveo nemački Phisikalisch-Technische Bundesanstalt PTB u Braunšvajgu. Zbog male količine samarijuma-146 — čak i zrno šećera u prahu teži 10 puta više — tim je morao da sprovodi merenja tri meseca da bi odredio aktivnost sa dovoljno preciznošću; stopa je bila skoro 54 raspada na sat.
Treće je bilo određivanje broja atoma: ovde je ispitivan sastav rastvora samarijuma korišćenjem različitih masenih spektrometara na PSI i na Australijskom nacionalnom univerzitetu prebrojavanjem broja atoma samarijuma-146 kao i svih drugih izotopa samarijuma prisutnih u uzorak.
Nakon dodavanja dodatnih količina prirodnog samarijuma, koji ne sadrži samarijum-146, ukupna količina svih izotopa samarijuma, a takođe i samarijuma-146, mogla bi se tačno odrediti. Pošto je mešavina takođe sadržala dodatni veštački izotop samarijuma koji emituje gama zračenje, istraživači su uspeli da zaključe koliko je atoma samarijuma-146 deponovano na tankoj foliji: tačno 6,28 puta 1013 atoma ili samo 0,000018 miligrama samarijum-oksida (146). O 3).
Pored toga, tim je bio u mogućnosti ne samo da tvrdi da je uzorak visok, već i da to dokaže dodatnim merenjima. „Ovo je specijalnost naše laboratorije u PSI, a recenzenti naše publikacije su to posebno istakli“, kaže Rugard Dressler iz Laboratorije za radiohemiju.
Kada su svi ovi eksperimentalni izazovi bili prevaziđeni, ostalo je bilo kućište za džepni kalkulator. Rezultat za vreme poluraspada samarijuma-146 je 92,0 ±2,6 miliona godina.
Ova merenja su u potpunosti i isključivo izvodljiva zahvaljujući inicijativi ERAVAST (Egzotični radionuklidi iz akceleratorskog otpada za nauku i tehnologiju), dugoročnom projektu koji ponovo koristi radioaktivni akceleratorski otpad iz PSI u istraživačke svrhe. In
PSI-jev protonski akcelerator i švajcarski izvor neutrona SINK, mnogi radioaktivni izotopi se proizvode u različitim nuklearnim reakcijama. Većina njih izaziva ozbiljne probleme samo svojim radioaktivnim raspadom i stoga su kategorisani kao radioaktivni otpad, ali neki od njih su izuzetno retki i veoma poželjni u fundamentalnim istraživanjima.
Istraživači grupe za izotopsku i ciljnu hemiju u Laboratoriji za radiohemiju na PSI, kojom rukovodi Šuman – vođa projekta, inicijator ERAVAST inicijative i takođe koautor samarijumskog papira – razvili su tehnike za hemijsko odvajanje mnogih izotopa od interesa od otpada i da proizvodi uzorke visoke čistoće u poslednjih 15 godina.
„Samo na ovaj način je bilo moguće dobiti dovoljnu količinu samarijuma-146 za precizno određivanje njegovog poluživota – mogućnost koja nije dostupna nigde drugde u svetu“, kaže Zejnep Talip, koja sada vodi istraživačku grupu. a takođe je i koautor samarijumskog papira.
Za Dreslera, rad na samarijumu-146 je za sada završen. Za druge, to je tek počelo. Fizičar iz Laboratorije za radiohemiju na PSI naglašava: „Ne postoji konačno tačna vrednost za vreme poluraspada samarijuma-146. Naš rezultat je zaista veoma precizan, ali sada ga treba potvrditi i, ako je moguće, poboljšati drugim grupe“.
