Patrick Abbott du NIST avec l'une des deux plus petites balances, utilisé pour les études vide-air. Crédit : Institut national des normes et de la technologie
Quand le kilogramme, l'unité de masse de base du monde, obtient une nouvelle définition en 2018, elle sera basée non sur un artefact physique mais sur une constante de la nature. Cependant, les chercheurs devront encore « réaliser » la nouvelle définition, ou le traduire en un objet physique, pour permettre de diffuser la nouvelle norme aux laboratoires et industries qui en ont besoin. Des deux méthodes qui sont les principaux candidats à ce processus de réalisation - les balances de watt et les sphères de silicium - nécessitent toutes deux des mesures délicates dans le vide.
Mais la plupart des mesures de masse quotidiennes ont lieu dans l'air ordinaire. Cela signifie que pour diffuser le nouveau kilogramme, les chercheurs doivent trouver des moyens fiables de comparer une masse mesurée dans le vide à une masse mesurée dans l'air.
Les instituts nationaux de métrologie (INM) du monde développent chacun des protocoles à utiliser dans leur propre pays. Mais quelqu'un doit vérifier que leurs différentes méthodes fonctionnent bien et obtiennent des résultats comparables.
Ainsi, le Bureau international des poids et mesures (BIPM), une organisation intergouvernementale qui a la garde de la norme officielle actuelle du kilogramme, a demandé à quelques laboratoires nationaux de métrologie d'effectuer un essai de leurs méthodes de diffusion proposées, dans le cadre d'une étude pilote pour s'assurer que les plans de diffusion de la nouvelle définition sont réalisables. Le NIST vient de terminer son essai à sec ce mois-ci.
"Pour cette étude pilote, chaque NMI a réalisé une première réalisation d'un kilogramme en utilisant soit une balance de watt soit une sphère de silicium, " dit Patrick Abbott du groupe Mass and Force du laboratoire de mesures physiques du NIST. " L'idée était :dans quelle mesure pouvons-nous prendre cette réalisation primaire et la transmettre ?
Présentement, la norme américaine pour la masse est un cylindre de platine-iridium de la taille d'une prune appelé K20, qui est régulièrement calibré par rapport à la définition mondiale actuelle du kilogramme - le kilogramme prototype international (IPK), hébergé au siège du BIPM à Paris. Après redéfinition, Le K20 sera remplacé par un nouveau standard américain :la balance NIST-4 watts.
Gros plan de l'intérieur du petit appareil utilisé pour les études vide-air. Un étalon de kilogramme (à gauche) est prêt à être comparé à une pile de disques (à droite). Les deux objets ont la même masse nominale, sont composés du même matériau, et ont à peu près la même forme - mais l'objet de droite a une plus grande surface totale. En mesurant l'évolution des masses des étalons les unes par rapport aux autres dans l'air et dans le vide, les chercheurs peuvent calculer comment la masse d'un objet change avec l'exposition à l'air. Crédit : Institut national des normes et de la technologie
Le personnel du NIST a commencé l'étude pilote en calibrant une masse d'échantillon, en platine-iridium, dans leur balance en watts. Mais l'étape suivante – transférer l'étalonnage aux masses dans l'air – était un peu délicate. L'air contient de l'eau et d'autres impuretés qui sont adsorbées par les surfaces des masses utilisées dans le processus d'étalonnage. Ainsi, une masse mesurée dans l'air sera légèrement plus lourde que cette même masse mesurée dans le vide. La question lancinante pour les métrologues est, de combien?
Les chercheurs du NIST ont préparé plusieurs façons de surmonter ce problème. Le premier implique un instrument à deux étages de la taille d'une pièce qui utilise la lévitation magnétique pour faire flotter une masse dans l'air, pour l'équilibrer contre une masse dans le vide, et faire une comparaison directe des deux. Finalement, cet instrument – appelé comparateur de masse à suspension magnétique – sera la méthode préférée de diffusion du kilogramme. Mais il est toujours en cours de construction et de test, il n'a donc pas été utilisé à sec.
La deuxième méthode consiste à utiliser un ensemble d'instruments plus petits au NIST. Ces balances sont capables de comparer les masses de deux objets à la fois dans l'air normal ou dans le vide. Avant l'essai à sec, Le personnel du NIST a utilisé l'un de ces appareils pour mener une étude mesurant exactement la masse ajoutée à un objet lorsqu'il passe du vide à l'air, en fonction de sa matière et de la douceur de sa surface.
Avec ces informations, les chercheurs du NIST ont pris la masse qui avait été calibrée à l'aide de la balance du watt, l'a retiré du vide, et l'a comparé - dans l'air - à une paire d'étalons de travail en acier inoxydable, du type qui pourrait être utilisé pour calibrer les poids des clients. L'équipe a appliqué les corrections qu'elle a recueillies à partir de ses études d'adsorption pour passer du vide à l'air.
Pour relier ces résultats à la définition actuelle de la masse, l'équipe a également mesuré toutes ces masses d'essai par rapport à l'une des normes de masse officielles américaines, dont la définition est liée à l'IPK.
Abbott dit qu'il s'attend à ce que le BIPM soit prêt à partager les résultats de l'étude pilote d'ici le début de l'année prochaine. Les autres laboratoires nationaux de métrologie participants comprennent le Conseil national de recherches du Canada (NRC Canada) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) en France, dont chacun a sa propre balance en watts, ainsi que l'Institut national de métrologie d'Allemagne (PTB) et l'Institut national de métrologie du Japon (NMIJ), qui utilisent des sphères de silicium.
