La balance Kibble du National Institute of Standards and Technology (NIST)-4 a mesuré la constante de Planck à 13 parties par milliard près en 2017, suffisamment précis pour aider à la redéfinition du kilogramme. Crédit :J. L. Lee/NIST
Le kilogramme ne pèse plus un kilogramme. Cette triste nouvelle a été annoncée lors d'un séminaire au CERN jeudi, 26 octobre par le professeur Klaus von Klitzing, qui a reçu le prix Nobel de physique 1985 pour la découverte de l'effet Hall quantifié. "Nous sommes sur le point d'assister à un changement révolutionnaire dans la définition du kilogramme, " a-t-il déclaré.
Avec six autres unités – mètre, seconde, ampère, kelvin, Môle, et candela – le kilogramme, une unité de masse, fait partie du Système international d'unités (SI) qui est utilisé comme base pour exprimer chaque objet ou phénomène mesurable dans la nature en nombres. La définition actuelle de cette unité est basée sur un petit cylindre de platine et d'iridium, dit "le grand K", dont la masse est exactement d'un kilogramme. Le cylindre a été fabriqué en 1889 et, depuis, a été conservé en lieu sûr sous trois cloches en verre dans un caveau de haute sécurité aux portes de Paris. Il y a un problème :le kilogramme standard actuel perd du poids. Environ 50 microgrammes, au dernier contrôle. Assez pour être différent de ses copies autrefois identiques stockées dans les laboratoires du monde entier.
Pour résoudre ce problème de poids(y), les scientifiques ont cherché une nouvelle définition du kilogramme.
Lors de la Conférence générale quadriennale des poids et mesures en 2014, la communauté scientifique de la métrologie a formellement accepté de redéfinir le kilogramme en fonction de la constante de Planck (h), une grandeur de mécanique quantique reliant l'énergie d'une particule à sa fréquence, et, par l'équation d'Einstein E = mc2, à sa masse. La constante de Planck est l'un des nombres fondamentaux de notre univers, une quantité fixée universellement dans la nature, comme la vitesse de la lumière ou la charge électrique d'un proton.
La constante de Planck se verra attribuer une valeur fixe exacte basée sur les meilleures mesures obtenues dans le monde. Le kilogramme sera redéfini par la relation entre la constante de Planck et la masse.
Réplique du prototype national du kilogramme standard no. K20 conservé par le National Institute of Standards and Technology (NIST) du gouvernement américain, Bethesda, Maryland. Crédit : Institut national des normes et de la technologie
"Il n'y a pas de quoi s'inquiéter, " dit Klaus von Klitzing. " Le nouveau kilogramme sera défini de telle manière que (presque) rien ne changera dans notre vie quotidienne. Cela ne rendra pas le kilogramme plus précis non plus, cela le rendra simplement plus stable et plus universel."
Cependant, le processus de redéfinition n'est pas si simple. Le Comité International des Poids et Mesures, l'organe directeur chargé d'assurer l'accord international sur les mesures, a imposé des exigences strictes sur la procédure à suivre :trois expériences indépendantes mesurant la constante de Planck doivent s'accorder sur la valeur dérivée du kilogramme avec des incertitudes inférieures à 50 parties par milliard, et au moins un doit atteindre une incertitude inférieure à 20 parties par milliard. Cinquante parties par milliard dans ce cas équivaut à environ 50 microgrammes, soit environ le poids d'un cil.
Deux types d'expériences se sont avérées capables de lier la constante de Planck à la masse avec une précision aussi extraordinaire. Une méthode, dirigé par une équipe internationale connue sous le nom de Projet Avogadro, consiste à compter les atomes dans une sphère de silicium-28 qui pèse le même poids que le kilogramme de référence. La deuxième méthode implique une sorte d'échelle connue sous le nom de balance en watt (ou Kibble). Ici, les forces électromagnétiques sont contrebalancées par une masse d'essai calibrée selon le kilogramme de référence.
Et c'est là que l'importante découverte faite par Klaus von Klitzing en 1980, qui lui a valu le prix Nobel de physique, entre en jeu. Afin d'obtenir des mesures extrêmement précises du courant et de la tension constituant les forces électromagnétiques dans la balance du watt, les scientifiques utilisent deux constantes universelles électriques quantiques différentes. L'une d'elles est la constante de von Klitzing, qui est connu avec une extrême précision, et peut à son tour être défini en termes de constante de Planck et de charge de l'électron. La constante de von Klitzing décrit comment la résistance est quantifiée dans un phénomène appelé « effet Hall quantique », un phénomène de mécanique quantique observé lorsque les électrons sont confinés dans une couche métallique extra-mince soumise à de basses températures et à de forts champs magnétiques.
"C'est vraiment une grande révolution, " dit von Klitzing. " En fait, il a été surnommé la plus grande révolution de la métrologie depuis la Révolution française, lorsque le premier système global d'unités a été introduit par l'Académie française des sciences.
Le CERN joue son rôle dans cette révolution. Le Laboratoire a participé à un projet de métrologie lancé par l'Office suisse de métrologie (METAS) pour construire une balance du watt, qui servira à diffuser la définition du nouveau kilogramme par des mesures extrêmement précises de la constante de Planck. Le CERN a fourni un élément crucial de la balance du watt :le circuit magnétique, qui est nécessaire pour générer les forces électromagnétiques équilibrées par la masse d'essai. L'aimant doit être extrêmement stable pendant la mesure et fournir un champ magnétique très homogène.
