Questo percorso di decadimento comporta un processo chiamato cattura elettronica che fornisce informazioni sulla struttura nucleare. Può anche determinare l’età degli oggetti geologici su scale temporali di miliardi di anni, perché il potassio-40 ha un’emivita molto lunga. La lunga emivita rende difficile trovare ulteriori modi in cui il potassio-40 decade.

Ora, una campagna durata un mese ha permesso di osservare per la prima volta un percorso di decadimento molto raro ma critico dal potassio-40 all’argon-40. Il risultato potrebbe migliorare la comprensione da parte degli scienziati dei processi fisici e aumentare la precisione della datazione geologica. La ricerca è pubblicata sulla rivista Physical Review Letters e Revisione fisica C .

La maggior parte dei decadimenti per cattura elettronica del potassio-40 portano a una forma eccitata di argon-40. La collaborazione sul decadimento del potassio (KDK) ha misurato un decadimento della cattura elettronica raro, calcolato teoricamente, che porta invece allo stato fondamentale del potassio-40. I calcoli teorici hanno una vasta gamma di previsioni. Questo intervallo limita l'uso del potassio-40 per determinare l'età delle caratteristiche geologiche e del sistema solare.

Il risultato sperimentale del team riduce questo intervallo. Il risultato migliora anche le stime delle proprietà del potassio di cui gli scienziati hanno bisogno per determinati esperimenti di fisica.

Infine, il risultato suggerisce che il decadimento doppio beta senza neutrini avviene a tassi inferiori a quelli attesi per i nuclei di elementi leggeri.

I nuclei radioattivi decadono secondo uno o più modi e questi decadimenti danno luogo a isotopi più stabili. La collaborazione KDK ha misurato un raro ramo di decadimento del potassio-40 presso l'Holifield Radioactive Ion Beam Facility dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) utilizzando l'array KDK (K=Potassium DK=Decay). L'array KDK è costituito dallo spettrometro modulare ad assorbimento totale di ORNL, accoppiato con un rilevatore di raggi X a deriva in silicio appositamente progettato.

Quantificare i tassi di decadimento del potassio-40 e dei suoi rami di decadimento è difficile perché è necessario effettuare misurazioni del nucleo genitore e di un numero sufficiente di discendenti rari. La collaborazione KDK ha studiato un sottoinsieme di potassio-40 che decade in argon-40 mediante cattura di elettroni, che costituisce circa il 10% di tutti i decadimenti del potassio-40.

Mentre la maggior parte dei decadimenti derivanti dalla cattura elettronica del potassio-40 emettono un caratteristico raggio gamma che costituisce uno sfondo nella maggior parte degli esperimenti, un piccolo sottoinsieme di questi decadimenti avviene senza alcuna emissione di raggi gamma. Ciò accade quando il potassio-40 cattura un elettrone che va direttamente allo stato fondamentale dell'argon-40.

La Collaborazione KDK ha effettuato la prima misurazione diretta di questo decadimento. Il risultato indica che anche altri tassi di decadimento potrebbero richiedere una rivalutazione. Il raro ramo di decadimento identificato e misurato dalla Collaborazione KDK fornisce prove sperimentali uniche dei cosiddetti decadimenti beta proibiti, influenza le previsioni della struttura nucleare ed elimina un'incertezza di lunga data per le stime dell'età geologica e del sistema solare basate sul potassio.

I risultati migliorano anche la valutazione del background presente negli esperimenti alla ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard.