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High-temperature 205Tl decay clarifies 205Pb dating in early Solar System

Guy Leckenby (), Ragandeep Singh Sidhu, Rui Jiu Chen (), Riccardo Mancino, Balázs Szányi, Mei Bai, Umberto Battino, Klaus Blaum, Carsten Brandau, Sergio Cristallo, Timo Dickel, Iris Dillmann, Dmytro Dmytriiev, Thomas Faestermann, Oliver Forstner, Bernhard Franczak, Hans Geissel, Roman Gernhäuser, Jan Glorius, Chris Griffin, Alexandre Gumberidze, Emma Haettner, Pierre-Michel Hillenbrand, Amanda Karakas, Tejpreet Kaur, Wolfram Korten, Christophor Kozhuharov, Natalia Kuzminchuk, Karlheinz Langanke, Sergey Litvinov, Yuri A. Litvinov (), Maria Lugaro (), Gabriel Martínez-Pinedo, Esther Menz, Bradley Meyer, Tino Morgenroth, Thomas Neff, Chiara Nociforo, Nikolaos Petridis, Marco Pignatari, Ulrich Popp, Sivaji Purushothaman, René Reifarth, Shahab Sanjari, Christoph Scheidenberger, Uwe Spillmann, Markus Steck, Thomas Stöhlker, Yoshiki K. Tanaka, Martino Trassinelli, Sergiy Trotsenko, László Varga, Diego Vescovi, Meng Wang, Helmut Weick, Andrés Yagüe Lopéz, Takayuki Yamaguchi, Yuhu Zhang and Jianwei Zhao
Additional contact information
Guy Leckenby: TRIUMF
Ragandeep Singh Sidhu: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Rui Jiu Chen: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Riccardo Mancino: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Balázs Szányi: University of Szeged
Mei Bai: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Umberto Battino: University of Hull
Klaus Blaum: Max-Planck-Institut für Kernphysik
Carsten Brandau: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Sergio Cristallo: INAF
Timo Dickel: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Iris Dillmann: TRIUMF
Dmytro Dmytriiev: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Thomas Faestermann: Technische Universität München
Oliver Forstner: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Bernhard Franczak: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Hans Geissel: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Roman Gernhäuser: Technische Universität München
Jan Glorius: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Chris Griffin: TRIUMF
Alexandre Gumberidze: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Emma Haettner: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Pierre-Michel Hillenbrand: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Amanda Karakas: Monash University
Tejpreet Kaur: Panjab University
Wolfram Korten: CEA, Université Paris-Saclay
Christophor Kozhuharov: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Natalia Kuzminchuk: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Karlheinz Langanke: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Sergey Litvinov: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Yuri A. Litvinov: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Maria Lugaro: HUN-REN CSFK
Gabriel Martínez-Pinedo: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Esther Menz: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Bradley Meyer: Clemson University
Tino Morgenroth: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Thomas Neff: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Chiara Nociforo: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Nikolaos Petridis: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Marco Pignatari: HUN-REN CSFK
Ulrich Popp: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Sivaji Purushothaman: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
René Reifarth: J.W. Goethe-Universität
Shahab Sanjari: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Christoph Scheidenberger: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Uwe Spillmann: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Markus Steck: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Thomas Stöhlker: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Yoshiki K. Tanaka: RIKEN
Martino Trassinelli: CNRS, Sorbonne Université
Sergiy Trotsenko: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
László Varga: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Diego Vescovi: INAF
Meng Wang: Chinese Academy of Sciences
Helmut Weick: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Andrés Yagüe Lopéz: Los Alamos National Laboratory
Takayuki Yamaguchi: Saitama University
Yuhu Zhang: Chinese Academy of Sciences
Jianwei Zhao: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Nature, 2024, vol. 635, issue 8038, 321-326

Abstract: Abstract Radioactive nuclei with lifetimes on the order of millions of years can reveal the formation history of the Sun and active nucleosynthesis occurring at the time and place of its birth1,2. Among such nuclei whose decay signatures are found in the oldest meteorites, 205Pb is a powerful example, as it is produced exclusively by slow neutron captures (the s process), with most being synthesized in asymptotic giant branch (AGB) stars3–5. However, making accurate abundance predictions for 205Pb has so far been impossible because the weak decay rates of 205Pb and 205Tl are very uncertain at stellar temperatures6,7. To constrain these decay rates, we measured for the first time the bound-state β− decay of fully ionized 205Tl81+, an exotic decay mode that only occurs in highly charged ions. The measured half-life is 4.7 times longer than the previous theoretical estimate8 and our 10% experimental uncertainty has eliminated the main nuclear-physics limitation. With new, experimentally backed decay rates, we used AGB stellar models to calculate 205Pb yields. Propagating those yields with basic galactic chemical evolution (GCE) and comparing with the 205Pb/204Pb ratio from meteorites9–11, we determined the isolation time of solar material inside its parent molecular cloud. We find positive isolation times that are consistent with the other s-process short-lived radioactive nuclei found in the early Solar System. Our results reaffirm the site of the Sun’s birth as a long-lived, giant molecular cloud and support the use of the 205Pb–205Tl decay system as a chronometer in the early Solar System.

Date: 2024
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DOI: 10.1038/s41586-024-08130-4

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