Il samario 146 ha un’emivita di 103 milioni di anni. O piuttosto di 68 milioni di anni. O forse 98 milioni di anni? Da quando sono state effettuate le prime misurazioni negli anni ’50, gli scienziati hanno ottenuto risultati contraddittori. Per gli scienziati che si occupano di astrofisica e geochimica, questo rappresenta un grosso problema: hanno bisogno di un valore il più preciso possibile per l’emivita del samario 146 per spiegare la formazione di asteroidi e pianeti o per datare le rocce. La loro domanda ha trovato ora una risposta. Il samario 146 ha un’emivita di 92 milioni di anni, che corrisponde perfettamente alla datazione di meteoriti e campioni lunari.
Il risultato più accurato fino ad oggi
Questo è il risultato ottenuto da un team di scienziati dell’Istituto Paul Scherrer PSI di Villigen e dell’Australian National University di Canberra. "Il nostro risultato è il più accurato finora", sottolinea Dorothea Schumann, che ha guidato il team. I colleghi che hanno valutato questo lavoro hanno confermato: "Si tratta di un lavoro notevole, una sorta di ’uovo di Colombo’", hanno osservato. Questi esperti hanno sottolineato in particolare il fatto che la pubblicazione descrive tutte le fasi in modo comprensibile e, così facendo, spiega l’intero risultato. "Sono impressionato dalla documentazione dettagliata e dalla quantificazione dei possibili artefatti", afferma uno degli esperti nella relazione.Ci sono buone ragioni per questa osservazione. Nel 2012, un team di Giappone, Israele e Stati Uniti ha pubblicato un valore sorprendentemente basso per l’emivita del samario 146: 68 milioni di anni, con un’incertezza di 7 milioni di anni. Ciò ha suscitato la costernazione dei geoscienziati di tutto il mondo, poiché questo valore non era coerente con gli esperimenti più vecchi o con i dati di misurazione dei meteoriti utilizzati per datare la formazione del nostro sistema solare. Poiché nessuno era in grado di prendere una decisione definitiva sul risultato corretto, un gruppo di esperti ha raccomandato di utilizzare semplicemente questo nuovo valore in parallelo a quello precedentemente noto: una situazione insostenibile per gli scienziati. Nel caso delle rocce lunari, ad esempio, sono state ottenute differenze di 90 milioni di anni, corrispondenti a circa il 35% della loro età di formazione. La liberazione è arrivata nel 2023: gli autori sono riusciti a individuare un’imprecisione in una fase della produzione dei campioni e hanno ritirato il loro lavoro.
Un problema solo rimandato
Ma questo ha solo rimandato il problema. Nelle geoscienze c’è sempre stata la necessità di un valore più preciso per l’emivita del samario 146 e di altri isotopi radioattivi che svolgono un ruolo importante nella datazione dei pianeti. Tutti questi isotopi hanno in comune un’emivita di diverse decine di milioni di anni. Questo è il tempo che impiega la metà della sostanza radioattiva a decadere. Il samario 146 è un emettitore alfa puro: l’atomo emette un nucleo di elio-4 e decade in neodimio 142. Poiché ovviamente non possiamo aspettare milioni di anni per il decadimento di una quantità significativa di una sostanza, sono necessari altri metodi per ottenere un risultato più rapido.In teoria, è molto semplice. Per determinare il tempo di dimezzamento di un qualsiasi isotopo radioattivo, è sufficiente determinare il numero di atomi presenti nel campione e la loro attività, in altre parole il loro tasso di decadimento. Il quoziente fornisce quindi l’emivita entro un fattore costante, il logaritmo naturale di 2. Ma "semplicemente" è un avverbio troppo ottimistico. La determinazione esatta dei due valori è complicata e irta di insidie sperimentali. Ma il team ha trovato soluzioni a tutte queste sfide.
L’esperimento è stato diviso in tre parti. Prima fase: ottenere quantità sufficienti di samario 146, un isotopo che non esiste sulla Terra. I campioni di tantalio irradiati presso la sorgente svizzera di neutroni a spallazione SINQ del PSI si sono rivelati il materiale di partenza perfetto. Una serie di processi di separazione chimica altamente selettivi sono stati utilizzati per ottenere una soluzione estremamente pura di un composto di samario per ottenere un campione molto fine per la misurazione dell’attività. Una parte della soluzione è stata depositata su un foglio di carbonio di soli 75 micrometri di spessore.
Seconda fase: misurazione dell’attività. Il campione di samario così preparato è stato posto a una distanza ben definita da un rivelatore di radiazioni alfa. Il deposito di samario non era più spesso di una frazione di micrometro, quindi non fermava le particelle alfa. La determinazione dell’energia ha anche permesso di stabilire se una particella alfa provenisse effettivamente dal decadimento del samario 146. Il dispositivo è stato calibrato con un campione molto preciso di americio 241, prodotto dalla Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Brunswick, in Germania. A causa della minuscola quantità di samario - un singolo granello di zucchero a velo pesa dieci volte tanto - il team ha dovuto effettuare misurazioni per un periodo di tre mesi per determinare l’attività con sufficiente precisione: si trattava di quasi 54 disintegrazioni all’ora.
Terzo passo: determinare il numero di atomi. In questo caso, gli scienziati del PSI e dell’Australian National University hanno analizzato la composizione di una parte del materiale utilizzando diversi spettrometri di massa, contando il numero di atomi di samario 146 e di tutti gli altri isotopi di samario presenti nel campione. L’aggiunta di samario naturale, che non contiene samario 146, ha permesso di determinare l’esatto contenuto di tutti gli isotopi del samario, incluso il samario 146. Poiché la miscela conteneva ancora un isotopo artificiale di samario che emetteva raggi gamma, gli scienziati sono stati in grado di determinare quanti atomi di samario 146 erano stati depositati sul foglio sottile. Il risultato: esattamente 6,28 volte 1013 atomi o appena 0,000018 milligrammi di ossido di samario (146Sm2O3). Inoltre, il team non poteva limitarsi a dichiarare l’elevato grado di purezza del campione, ma doveva anche dimostrarlo attraverso ulteriori misurazioni. "Questa è la specialità del nostro laboratorio al PSI, ed è un punto che gli esperti responsabili della revisione del nostro articolo hanno particolarmente evidenziato nella nostra pubblicazione", osserva Rugard Dressler del Laboratorio di Radiochimica.
Una volta superate le sfide sperimentali, il resto è stato risolto utilizzando una calcolatrice. Risultato per l’emivita del samario 146: 92,0 ±2,6 milioni di anni.
Possibile solo al PSI
La misurazione è stata possibile solo al PSI grazie all’iniziativa ERAWAST (Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology), un progetto a lungo termine sostenuto dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica, che riutilizza i rifiuti radioattivi degli acceleratori del PSI a fini di ricerca. L’acceleratore di protoni svizzero SINQ e la sorgente di neutroni di spallazione del PSI generano una serie di isotopi radioattivi in varie reazioni nucleari. La maggior parte di essi subisce solo interferenze a causa del loro decadimento radioattivo e sono quindi classificati come rifiuti radioattivi. Altri, invece, sono estremamente rari e molto apprezzati nella ricerca fondamentale. Negli ultimi 15 anni, gli scienziati del gruppo di lavoro Isotopes and Target Chemistry del Radiochemistry Laboratory, guidati da Dorothea Schumann, leader del progetto, promotrice dell’iniziativa ERAWAST e co-autrice dell’articolo sul samario, hanno sviluppato tecniche nell’ambito di questo progetto per separare chimicamente una serie di isotopi interessanti dai rifiuti e produrre campioni estremamente puri. Questo era l’unico modo per ottenere una quantità sufficiente di samario 146 per determinare con precisione le emivite", spiega Zeynep Talip, che ora dirige il gruppo di lavoro ed è anche coautrice della pubblicazione sul samario. Questa possibilità non esiste in nessun’altra parte del mondo.Per Rugard Dressler, il lavoro sul samario 146 è per il momento concluso. Per altri scienziati, invece, le cose sono solo all’inizio. Non esiste un valore corretto per l’emivita del samario-146", sottolinea il fisico del Laboratorio di Radiochimica. Il nostro risultato è sicuramente molto accurato, ma ora dovrà essere confermato e migliorato da altri gruppi".
