Ny måling vil hjælpe med at omdefinere international masseenhed

Ved hjælp af en avanceret enhed til måling af masse, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har foretaget deres hidtil mest præcise bestemmelse af Plancks konstante, en vigtig værdi i videnskaben, der vil hjælpe med at omdefinere kilogrammet, den officielle masseenhed i SI, eller internationalt system af enheder. Godkendt til publicering i tidsskriftet Metrologia , disse nye resultater kommer forud for en international deadline den 1. juli for målinger, der har til formål at omdefinere hele SI i form af fundamentale naturkonstanter.

Den nye NIST-måling af Plancks konstant er 6,626069934 x 10- ³⁴ kg-m ² /s, med en usikkerhed på kun 13 parts per milliard. NISTs tidligere måling, udgivet i 2016, havde en usikkerhed på 34 dele pr.

Kilogrammet er i øjeblikket defineret i form af massen af ​​en platin-iridium-artefakt opbevaret i Frankrig. Forskere ønsker at erstatte denne fysiske artefakt med en mere reproducerbar definition af kilogrammet, der er baseret på naturens fundamentale konstanter.

Plancks konstant gør det muligt for forskere at relatere masse til elektromagnetisk energi. For at måle Plancks konstant, NIST bruger et instrument kendt som Kibble balance, oprindeligt kaldt wattbalancen. Fysikere adopterede i vid udstrækning det nye navn sidste år for at ære den afdøde britiske fysiker Bryan Kibble, der opfandt teknikken for mere end 40 år siden.

NIST's Kibble balance bruger elektromagnetiske kræfter til at balancere en kilogram masse. De elektromagnetiske kræfter er tilvejebragt af en trådspole, der er klemt mellem to permanente magneter. Kibble-vægten har to driftsformer. I én tilstand, en elektrisk strøm går gennem spolen, generere et magnetfelt, der interagerer med det permanente magnetfelt og skaber en opadgående kraft for at balancere kilogrammassen. I den anden tilstand, spolen løftes med konstant hastighed. Denne opadgående bevægelse inducerer en spænding i spolen, der er proportional med styrken af ​​magnetfeltet. Ved at måle strømmen, spændingen og spolens hastighed, forskere kan beregne Planck-konstanten, som er proportional med mængden af ​​elektromagnetisk energi, der skal til for at balancere en masse.

Der er tre hovedårsager til forbedringen i de nye målinger, sagde fysiker Stephan Schlamminger, leder af NIST-indsatsen.

Først, forskerne har meget mere data. Det nye resultat bruger 16 måneders målinger, fra december 2015 til april 2017. Stigningen i eksperimentel statistik reducerede i høj grad usikkerheden i deres Planck-værdi.

For det andet forskerne testede for variationer i magnetfeltet under begge driftsformer og opdagede, at de havde overvurderet den indvirkning, spolens magnetfelt havde på det permanente magnetfelt. Deres efterfølgende justering i deres nye målinger både øgede deres værdi af Plancks konstant og reducerede usikkerheden i deres måling.

Endelig, forskerne studerede meget detaljeret, hvordan hastigheden af ​​den bevægelige spole påvirkede spændingen. "Vi varierede hastigheden, som vi bevægede spolen gennem magnetfeltet, fra 0,5 til 2 millimeter i sekundet, " forklarede Darine Haddad, hovedforfatter af NIST-resultaterne. I et magnetfelt, spolen fungerer som et elektrisk kredsløb bestående af en kondensator (et kredsløbselement, der lagrer elektrisk ladning), en modstand (et element, der spreder elektrisk energi) og en induktor (et element, der lagrer elektrisk energi). I en bevægelig spole, disse kredsløbslignende elementer genererer en elektrisk spænding, der ændrer sig over tid, sagde Schlamminger. Forskerne målte denne tidsafhængige spændingsændring for at tage højde for denne effekt og reducerede usikkerheden i deres værdi.

Denne nye NIST-måling slutter sig til en gruppe af andre nye Plancks konstante målinger fra hele verden. Endnu en kibble-balancemåling, fra National Research Council of Canada, har en usikkerhed på blot 9,1 dele pr. To andre nye målinger bruger den alternative Avogadro-teknik, som går ud på at tælle antallet af atomer i en ren siliciumkugle.

De nye målinger har så lav usikkerhed, at de overstiger de internationale krav til redefinering af kilogrammet i forhold til Plancks konstant.

"Der skulle tre eksperimenter med usikkerheder under 50 dele pr. milliard, og en under 20 dele pr. milliard, " sagde Schlamminger. "Men vi har tre under 20 dele pr. milliard."

Alle disse nye værdier af Plancks konstante overlapper ikke hinanden, "men generelt er de utroligt enige, Schlamminger sagde, "især i betragtning af, at forskerne måler det med to helt forskellige metoder." Disse værdier vil blive indsendt til en gruppe kendt som CODATA forud for en deadline den 1. juli. CODATA vil overveje alle disse målinger ved indstilling af en ny værdi for Plancks konstant. Kilogrammet er beregnet til redefinering i november 2018, sammen med andre enheder i SI.

Før de startede disse eksperimenter, Schlamminger og hans gruppe gik til frokost i december 2013. På en frokostserviet, hvert gruppemedlem skrev sin forudsigelse af værdien af ​​Plancks konstant, som gruppen ville bestemme gennem deres målinger. De gemte denne serviet under deres Kibble-vægt for næsten fire år siden, og de har nu sammenlignet forudsigelserne. Shisong Li, en gæsteforsker fra Tsinghua University i Kina, kom tættest på. Hans forudsigelse afveg kun med omkring 5 dele pr. milliard fra det målte resultat. Der er endnu ingen ord om, hvordan holdet planlægger at fejre vinderens gæt.