La physique

Avec une demi-vie de 1,25 milliard d’années, le potassium 40 ne se désintègre pas souvent, mais ses désintégrations ont un impact important. En tant qu'isotope relativement commun (0,012 % de tout le potassium) d'un métal très commun (2,4 % en masse de la croûte terrestre), le potassium-40 est l'une des principales sources de radioactivité que nous rencontrons dans la vie quotidienne. Ses désintégrations sont la principale source d'argon-40, qui représente près de 1 % de l'atmosphère, et la grande quantité de chaleur dégagée par ces désintégrations a contrecarré les premières estimations de l'âge de la Terre faites par Lord Kelvin. Le potassium 40 est en grande partie responsable de la faible radioactivité de nos aliments (comme les bananes) et constitue une source de bruit importante dans certains détecteurs de physique des particules très sensibles. Cet isotope et ses produits de désintégration sont également des outils utiles pour dater les roches et les processus géologiques qui remontent aux premières parties de l’histoire de la Terre. Et pourtant, une incertitude de longue date entoure ces désintégrations bien étudiées. La collaboration KDK a fourni la première observation directe d'un mode de désintégration rare du potassium-40 en argon-40 [1, 2]. Le taux de désintégration mesuré implique une probabilité plus faible de ce mode de désintégration que ce qui était supposé précédemment. Les résultats auront des implications limitées mais importantes pour le domaine de la géochronologie, ainsi que pour d'autres domaines qui utilisent ou cherchent à éviter les effets de la désintégration de cet élément omniprésent.

Le potassium 40 a un schéma de désintégration quelque peu compliqué. Ce n'est pas de l'uranium, avec ses chaînes de descendants à longue durée de vie. Mais il présente des caractéristiques intéressantes, avec environ 90 % du potassium-40 se désintégrant en calcium-40 par désintégration 𝛽− et la plupart des 10 % restants se transformant en argon-40 susmentionné par capture électronique. Lorsqu'une roche se solidifie, elle contient au départ une certaine quantité de potassium 40 mais presque pas d'argon 40 (Fig. 1). Au fil du temps, le potassium 40 se désintègre, produisant de l'argon 40 qui reste piégé dans la roche. Les géologues peuvent estimer l'âge de la roche en mesurant la concentration de ces différents éléments. Une façon d’y parvenir – ce qu’on appelle la datation potassium-argon – consiste à mesurer le potassium total (principalement du potassium-39) et à calculer la quantité de potassium-40 à partir des abondances relatives connues. Cette valeur est ensuite combinée à une mesure d'argon 40 pour calculer un âge.

Une méthode de datation alternative, plus couramment utilisée de nos jours, consiste à transmuer une petite quantité de potassium-39 présent dans une roche en argon-39. Cet argon-39 agit comme un indicateur de la quantité de potassium et par extension de la quantité de potassium-40. Les géologues peuvent donc utiliser le rapport argon-39/argon-40 pour déterminer l’âge de la roche. Cette technique de datation argon-argon offre l'avantage que les mesures par spectrométrie de masse ciblent les isotopes du même élément, ce qui peut être effectué plus rapidement et plus précisément que les comparaisons de différents éléments. La transmutation potassium-argon se produit par activation neutronique dans un réacteur, un processus quelque peu compliqué qui entraîne une multitude de réactions et de corrections supplémentaires sur la détermination de l'âge.

Pour convertir les abondances d'argon et de potassium des deux méthodes en un âge, il faut quantifier le taux de désintégration global du potassium-40, ainsi que les taux de désintégration relatifs de chaque descendant (rapports de ramification). Cela peut s’avérer étonnamment difficile, car cela nécessite de mesurer avec précision à la fois l’isotope parent et un nombre suffisant de désintégrations extrêmement rares. Les travaux de la collaboration KDK portent sur un sous-ensemble rare d'environ 10 % du potassium-40 qui se désintègre en argon-40 par capture électronique. Environ 99 % de ces 10 % vont à un état excité de l’argon-40, ce qui est une caractéristique utile car la désintégration ultérieure (presque immédiate) vers l’état fondamental de l’argon-40 émet un rayon gamma caractéristique. Les chercheurs peuvent mesurer ce rayon gamma pour aider à quantifier la vitesse de ce processus et également pour corriger sa présence dans d’autres situations, comme dans les observatoires de matière noire où les désintégrations radioactives constituent une interférence importante.

Cependant, un très petit sous-ensemble de désintégrations du potassium-40 par capture électronique va directement à l’état fondamental de l’argon-40, ce qui signifie qu’il n’y a pas de rayons gamma, mais seulement des rayons X de faible énergie difficiles à isoler. Le résultat de chaque capture d’électrons est le même en ce qui concerne la géochronologie – les deux désintégrations produisent un noyau d’argon-40 stable – mais le taux du sous-ensemble direct vers l’état fondamental est beaucoup plus difficile à mesurer. Prédit depuis longtemps, il a été estimé qu'il représente jusqu'à 2 % des désintégrations en argon-40 [3, 4], mais a été entièrement omis de certains modèles de désintégration couramment utilisés [5]. Les travaux de KDK, utilisant une mesure minutieuse des spectres de rayons X et gamma produits par une source enrichie en potassium (décrite dans [1] et plus en détail dans [2]), montrent qu'elle est en fait plus proche de la moitié de cette valeur. Ce résultat représente la première mesure directe du taux de désintégration du potassium-40 vers l'état fondamental de l'argon-40, et implique également la nécessité d'une nouvelle détermination d'autres taux de désintégration associés. En conséquence, certains âges potassium-argon peuvent nécessiter des corrections de près de 1 %, affectant l’âge de certaines météorites et roches anciennes de plusieurs dizaines de millions d’années.