Grundlagen der Natur Forscher am PSI bestimmen Halbwertszeit von Samarium-146

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Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der Australian National University haben die Halbwertszeit von Samarium-146 sehr präzise bestimmt. Das Ergebnis passt perfekt zu den Daten, die Astrophysiker und Geochemiker von extraterrestrischen Proben erhalten haben.

Samarium-146 hat eine Halbwertszeit von 103 Millionen Jahren. Oder von 68 Millionen Jahren. Oder etwa doch von 98 Millionen Jahren? So genau wusste man das bisher nicht, denn seit den ersten Messungen in den 1950ern kamen Forscherinnen und Forscher immer wieder zu widersprüchlichen Ergebnissen. In den Wissenschaften Astrophysik und Geochemie ist das ein grosses Problem: Forscher brauchen einen möglichst genauen Wert der Halbwertszeit von Samarium-146, um die Bildung von Asteroiden und Planeten zu erklären oder das Alter von Gesteinen zu datieren. Für sie hat die Ungewissheit nun ein Ende. Samarium-146 hat eine Halbwertszeit von 92 Millionen Jahren – was die Altersbestimmungen von Meteoriten oder Mondproben sehr gut bestätigt.

Zu diesem Ergebnis kommt ein Team von Forscherinnen und Forschern am Paul Scherrer Institut PSI in Villigen und an der Aus­tralian National University in Canberra. «Unser Ergebnis ist das bisher genaueste», sagt Dorothea Schumann, die das Team leitete. Dies bestätigen auch die Gutachter, die die Arbeit beurteilt haben: «Dies ist eine hervorragende Arbeit. Sie ist wie das ‹Ei des Kolumbus›», urteilten sie. Besonders hoben sie hervor, dass in der Publikation alle Schritte nachvollziehbar beschrieben wurden und das Ergebnis somit lückenlos erklärt wird. «Ich bin beeindruckt von der ausführlichen Dokumentation und Quantifizierung möglicher Artefakte», heisst es unter anderem in dem Gutachten.

Isotope mit langen Halbwertszeiten von mehreren Millionen Jahren

Ein genauer Wert für die Halbwertszeit von Samarium-146 und weiteren radioaktiven Isotope spielen eine wichtige Rolle für die Datierung der Planetenentstehung. All diesen Isotopen gemeinsam ist, dass sie lange Halbwertszeiten von vielen Millionen Jahren haben. So lange dauert es, bis die Hälfte des radioaktiven Stoffs zerfallen ist. Bei Samarium-­146 handelt es sich um einen reinen Alpha-­Strahler, das Atom sendet einen Helium-­Kern aus und zerfällt in Neodym-142. Weil man selbstverständlich nicht Millionen Jahre warten kann, bis eine nennenswerte Menge eines Stoffs zerfallen ist, braucht es andere Methoden, die schneller zum Ergebnis kommen.

Das ist in der Theorie ganz einfach. Um die Halbwertszeit eines beliebigen radio­aktiven Isotops zu bestimmen, muss man «nur» die Zahl der Atome in der Probe bestimmen sowie die Aktivität, also die Zerfalls­rate. Der Quotient ergibt dann die Halbwertszeit bis auf einen konstanten Faktor, den natürlichen Logarithmus von 2. «Nur» ist hier allerdings ein viel zu optimistisches Wörtchen. Denn die exakte Bestimmung der beiden Werte ist kompliziert und gepflastert mit experimentellen Stolpersteinen. Das Team hat aber für alle diese Heraus­forderungen Lösungen gefunden.

Gewinnung, Aktivitätsmessung, Anzahl der Atome

Das Experiment gliedert sich in drei Teile. Erstens die Gewinnung ausreichender Mengen des auf der Erde nicht vorkommenden Isotops Samarium-146. Dafür erwiesen sich Tantal-Proben, die an der Schweizer Spallations-­Neutronenquelle SINQ des PSIs bestrahlt wurden, als perfektes Ausgangsmaterial. Mithilfe einer Reihe von hoch selektiven chemischen Trennverfahren erhielt man die äusserst reine Lösung einer Samarium-­Verbindung zur Herstellung einer sehr dünnen Probe für die Aktivitätsmessung.

Zweitens die Aktivitätsmessung: Die so präparierte Samarium-Probe wurde dann in einen wohl definierten Abstand zu einem Detektor für Alpha-Strahlung gebracht. Die Samarium-Abscheidung ist nur Bruchteile eines Mikrometers dünn, sodass sie die Alpha­teilchen nicht stoppt. Durch die Bestimmung der Energie lässt sich ausserdem erkennen, ob ein Alphateilchen tatsächlich vom Zerfall des Samarium-146 stammt. Kalibriert wurde die Apparatur mit einer sehr genau bestimmten Probe von Americium-­241, die von der deutschen Physikalisch-­Technischen Bundesanstalt in Braunschweig hergestellt wurde. Wegen der winzigen Menge an Samarium-146 – sogar ein einzelnes Körnchen Puderzucker wiegt 10-mal mehr – musste das Team drei Monate lang messen, um die Aktivität genau genug zu bestimmen.

Drittens die Bestimmung der Zahl der Atome: Hier haben die Forscher die Samarium-­Lösung mit verscheiden Massen­spektrometern sowohl am PSI als auch an der Australian National University auf seine Zusammensetzung untersucht. Durch die Zugabe von natürlichem Samarium, das kein Samarium-146 enthält, konnte auch der genaue Gehalt aller Samarium-Isotope inklusive Samarium-146 bestimmt werden. Weil in der Mischung noch ein zusätzliches künstliches Samarium-Isotop enthalten ist, das Gamma-Strahlung aussendet, konnten die Forscher feststellen, wie viele Samarium-­146-Atome auf der dünnen Folie abgeschieden wurden: genau 6,28 mal 1013 Atome. Ausserdem konnte das Team die hohe Reinheit der Probe durch zusätzliche Messungen belegen. «Das ist die Spezialität unseres Labors am PSI und das haben auch die Gutachter an unserer Publikation besonders hervorgehoben», sagt Rugard Dressler vom Labor für Radiochemie. Nachdem die experimentellen Herausforderungen gemeistert waren, war der Rest ein Fall für den Taschenrechner. Das Ergebnis für die Halbwertszeit von Samarium-146 ist 92,0 ±2,6 Millionen Jahre. Für Rugard Dressler ist die Arbeit zu Samarium-­146 erst einmal abgeschlossen, für andere geht sie nun erst los. Der Physiker vom Labor für Radiochemie des PSIs betont: «Den einen richtigen Wert für die Halbwertszeit von Samarium-146 gibt es nicht. Unser Ergebnis ist zwar sehr genau, es muss aber nun von anderen Gruppen bestätigt und weiter verbessert werden.»

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