Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI e da Universidade Nacional Australiana redeterminaram a meia-vida do samário-146 com grande precisão. O resultado se encaixa perfeitamente com os dados que astrofísicos e geoquímicos obtiveram de amostras extraterrestres. O estudo aparece hoje no periódico Relatórios científicos da Nature.
O samário-146 tem uma meia-vida de 103 milhões de anos. Ou 68 milhões de anos. Ou talvez 98 milhões de anos? Até agora, não se sabia com precisão, porque os pesquisadores repetidamente apresentaram resultados contraditórios desde as primeiras medições na década de 1950. Para astrofísicos e geoquímicos, este é um grande problema: eles precisam saber a meia-vida do samário-146 com a maior precisão possível para explicar a formação de asteroides e planetas e para datar rochas. Agora, sua incerteza acabou. O samário-146 tem uma meia-vida de 92 milhões de anos – o que confirma muito bem as avaliações de idade de meteoritos e rochas lunares.
O resultado mais preciso até o momento
Este resultado foi alcançado por uma equipe de pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI em Villigen, Suíça, e da Universidade Nacional Australiana em Canberra. “Nosso resultado é o mais preciso até o momento”, diz Dorothea Schumann, que liderou a equipe. Um fato também reconhecido pelos revisores que avaliaram o trabalho: “Este é um artigo excelente. É como o ovo de Colombo”, escreveram. Eles destacaram particularmente que, nesta publicação, todas as etapas foram descritas de forma compreensível e, portanto, o resultado é totalmente rastreável. “Estou impressionado com a documentação detalhada e a quantificação de possíveis artefatos”, comenta o relatório do especialista.
Há boas razões para isso. Em 2012, uma equipe do Japão, Israel e EUA publicou um valor surpreendentemente baixo para a meia-vida do samário-146: 68 milhões de anos, com uma incerteza de sete milhões de anos. Isso causou consternação mundial entre os geocientistas, pois esse valor não correspondia aos experimentos mais antigos nem aos dados de medição de meteoritos usados para datar a formação do nosso sistema solar. Como ninguém conseguiu concluir definitivamente qual dos resultados era o mais correto, uma equipe de especialistas recomendou usar esse novo valor e o valor previamente estabelecido em paralelo – uma situação insustentável para os pesquisadores. Para rochas lunares, por exemplo, isso resultaria em diferenças de 90 milhões de anos, o que corresponde a cerca de 35% de sua idade de formação. Então, o alívio veio em 2023: os autores da publicação de 2012 identificaram uma inconsistência em uma das etapas durante a preparação da amostra e, consequentemente, retiraram seu artigo.
Um problema adiado
Com isso, porém, o problema foi meramente adiado. Os geocientistas ainda precisavam de um valor mais preciso para a meia-vida do samário-146 e alguns outros radionuclídeos que desempenham papéis importantes na datação da formação de planetas. O que todos esses radioisótopos têm em comum são meias-vidas de muitos milhões de anos. É quanto tempo leva para metade do material radioativo decair. O samário-146 é um emissor alfa puro; o átomo emite um núcleo de hélio e decai em neodímio-142. Como você obviamente não pode esperar milhões de anos para que uma quantidade significativa de um material decaia, outros métodos são necessários para produzir resultados mais rapidamente.
Em teoria, isso é bem simples. Para determinar a meia-vida de qualquer isótopo radioativo, você apenas precisa determinar o número de átomos na amostra, bem como a atividade, ou seja, a taxa de decaimento. O quociente então fornece a meia-vida até um fator constante, o logaritmo natural de 2. «Somente» é uma palavrinha bem otimista aqui, no entanto, porque o caminho para determinar os dois valores exatamente é complicado e pavimentado com armadilhas experimentais. Mas a equipe encontrou soluções para todos esses desafios.
O experimento foi dividido em três partes. Primeiro veio a extração de quantidades suficientes do isótopo samário-146, que não ocorre naturalmente na Terra. Para esse propósito, amostras de tântalo irradiadas na fonte de nêutrons de espalação suíça SINQ da PSI acabaram sendo o material mais adequado. Após uma série de separações químicas altamente seletivas, uma solução extremamente pura de um composto de samário foi obtida para produzir uma amostra muito fina para a medição da atividade. Parte da solução foi depositada em um filme de carbono com apenas 75 micrômetros de espessura.
Segundo, a medição da atividade: a amostra de samário cuidadosamente preparada foi colocada a uma distância bem definida de um detector de radiação alfa. O filme de samário tinha apenas uma fração de um micrômetro, então não pararia as partículas alfa. Ao determinar a energia, os pesquisadores também puderam discernir se uma partícula alfa realmente veio ou não da decomposição do samário-146. O aparelho foi calibrado com uma amostra muito precisamente determinada de amerício-241 produzida pelo Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB alemão em Braunschweig. Por causa da pequena quantidade de samário-146 – até mesmo um grão de açúcar de confeiteiro pesa 10 vezes mais – a equipe teve que realizar medições por três meses para determinar a atividade com precisão suficiente; a taxa foi de quase 54 decaimentos por hora.
Terceiro, determinação do número de átomos: Aqui a solução de samário foi examinada quanto à sua composição usando vários espectrômetros de massa no PSI e na Universidade Nacional Australiana, contando o número de átomos de samário-146, bem como todos os outros isótopos de samário presentes na amostra. Após adicionar quantidades adicionais de samário natural, que não contém samário-146, a quantidade total de todos os isótopos de samário e também de samário-146 pôde ser determinada com precisão. Como a mistura continha também um isótopo artificial adicional de samário que emite radiação gama, os pesquisadores foram capazes de deduzir quantos átomos de samário-146 foram depositados na folha fina: exatamente 6,28 vezes 1013 átomos ou apenas 0,000018 miligramas de óxido de samário (146Pequeno2O3). Além disso, a equipe conseguiu não apenas reivindicar a alta pureza da amostra, mas também realmente prová-la por meio de medições adicionais. “Esta é a especialidade do nosso laboratório no PSI, e os revisores da nossa publicação a destacaram particularmente”, diz Rugard Dressler do Laboratório de Radioquímica.
Uma vez que todos esses desafios experimentais foram superados, o resto era um caso para a calculadora de bolso. O resultado para a meia-vida do samário-146 é 92,0 ±2,6 milhões de anos.
Somente possível no PSI
Essas medições foram tornadas inteiramente e exclusivamente viáveis graças à iniciativa ERAWAST (Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology), um projeto de longo prazo que reutiliza resíduos de aceleradores radioativos do PSI para fins de pesquisa. No acelerador de prótons do PSI e na fonte de nêutrons de espalação suíça SINQ, muitos isótopos radioativos são produzidos em várias reações nucleares. A maioria deles só causa problemas sérios por meio de sua decadência radioativa e, portanto, são categorizados como resíduos radioativos, mas alguns deles são extremamente raros e altamente desejados em pesquisas fundamentais. Os pesquisadores do grupo Isotope and Target Chemistry do Laboratory for Radiochemistry do PSI, gerenciado por Dorothea Schumann – líder do projeto, iniciadora da iniciativa ERAWAST e também coautora do artigo sobre samário – desenvolveram técnicas para separar quimicamente muitos isótopos de interesse dos resíduos e produzir amostras de alta pureza nos últimos 15 anos. “Somente dessa forma foi possível obter uma quantidade suficiente de samário-146 para a determinação precisa de sua meia-vida — uma possibilidade que não está disponível em nenhum outro lugar do mundo”, diz Zeynep Talip, que agora lidera o grupo de pesquisa e também é coautor do artigo sobre o samário.
Para Rugard Dressler, o trabalho sobre o samário-146 está completo por enquanto. Para outros, está apenas começando. O físico do Laboratório de Radioquímica do PSI enfatiza: “Não há um valor finalmente correto para a meia-vida do samário-146. Nosso resultado é muito preciso, mas agora ele precisa ser confirmado e, se possível, melhorado por outros grupos.”