Quand deux masses kilogrammes nominalement identiques ne sont-elles plus identiques ? Lorsque chacun va à un endroit différent et adsorbe des quantités variables d'humidité et de contaminants.

En explorant ce problème, le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis et le National Research Council (Canada) collaborent avec des laboratoires de mesure du Nord, Amérique centrale et du Sud pour mieux comprendre comment les masses de poids de précision augmentent et diminuent au fil du temps.

Ils espèrent que les résultats profiteront au commerce international, dans lequel même de petites imprécisions de mesure peuvent avoir des impacts significatifs.

Pour s'assurer qu'une livre de pommes de terre à l'épicerie pèse vraiment une livre, la balance d'un magasin doit être calibrée régulièrement. Pour ce type d'étalonnage, les consommateurs s'appuient finalement sur des artefacts de masse, pièces de métal dont la masse a été mesurée avec précision. Les scientifiques connaissent la masse parce que chaque artefact a à son tour été comparé à d'autres artefacts dans une chaîne ininterrompue de comparaisons qui remonte à la définition fondamentale de la masse elle-même.

Les laboratoires de normalisation maintiennent une multitude d'artefacts de masse pour des comparaisons telles que celles-ci, qui sont finalement utilisés pour tout calibrer, des balances d'épicerie aux pèse-personnes. De temps en temps, ces laboratoires nécessitent un artefact de masse supplémentaire ou de remplacement pour leur collection.

Dans les premiers mois de sa vie, cependant, la masse d'un nouvel artefact peut changer de manière significative à mesure que le métal fraîchement coupé adsorbe les molécules de son environnement.

Il existe un certain désaccord sur le temps que les scientifiques doivent attendre avant de pouvoir être certain que la masse d'un nouvel artefact est stable. Donc, Le NIST et le CNRC Canada ont conçu la nouvelle expérience massive pour aider à résoudre ce problème.

L'expérience implique 60 poids nominalement identiques d'un kilogramme, commandé pour être fabriqué à partir d'une seule tige d'acier inoxydable de haute qualité. Environ la moitié de ces 60 unités ont été distribuées dans 29 pays au sein du Système interaméricain de métrologie (SIM), un réseau d'instituts nationaux de métrologie (INM) implantés au Nord, Amérique du Sud et centrale, ainsi que les nations insulaires.

Pendant un an ou plus, les représentants du SIM pour chaque pays mesureront la masse de leur artefact tous les quelques mois et enverront les données au NIST et au CNRC Canada. Ils surveilleront également l'environnement de chaque masse, y compris la température du laboratoire, pression barométrique, l'humidité et les composés organiques volatils (COV), une mesure de la qualité de l'air.

"Le tout va être une étude de stabilité massive à une échelle que personne n'a jamais faite auparavant, " a déclaré le physicien du NIST Patrick Abbott. " Parce que les masses sont tirées de la même tige d'acier, vous vous attendriez à ce qu'ils aient la même réponse à long terme." Cependant, les conditions dans les différents laboratoires SIM devraient affecter la vitesse à laquelle les masses changent, en fonction de qualités telles que l'altitude et la quantité de sel dans l'air. Pendant les premiers mois de leur vie, les masses étaient maintenues aux États-Unis et au Canada. Maintenant, la moitié d'entre eux seront stockés dans des laboratoires près de l'équateur et bien dans l'hémisphère sud.

« Alors, comment les masses vont-elles changer ? » dit Abbott. "Une fois qu'ils sont là-bas, ils ne suivront pas nécessairement le même schéma qu'en Amérique du Nord. »

Poils de chat sur pantalon noir

Un nouvel artefact, fraîchement coupé, est comme une éponge :elle recueille les molécules de l'air, et cela augmente légèrement sa masse avec le temps. Les nouveaux artefacts utilisés dans cette expérience ont moins d'un an et, donc, dans une phase de prise de poids relativement rapide de l'ordre de 7 microgrammes (millionièmes de gramme) sur six mois. Cela peut sembler trop petit pour avoir de l'importance, mais même de petits changements, surtout s'ils sont imprévisibles, peuvent augmenter les incertitudes des mesures en laboratoire.

"Ces poids changent, " a déclaré Abbott. " Ils ramassent des trucs dans les airs, un peu comme le pantalon noir dans une maison avec un chat blanc. "

A un moment donné, ce processus s'arrête ou ralentit généralement de manière significative. La question est, combien de temps un laboratoire doit-il attendre avant d'être sûr que sa masse a atteint une phase stable ? Et comment cette période change-t-elle en fonction de l'emplacement du laboratoire et des conditions environnementales moyennes ?

Les études précédentes ont eu tendance à être à petite échelle, menée dans un seul laboratoire. Abbott et ses collègues du NIST et du CNRC Canada se sont demandé si un effort à plus grande échelle aiderait à résoudre les divergences dans les résultats antérieurs.

"À l'heure actuelle, bon nombre des études réalisées ont été très localisées :un laboratoire, une personne, sous un ensemble de conditions, " a dit Abbott. " Mais une autre personne dans un autre laboratoire pourrait faire la même étude et dire, 'dans ces conditions, nous avons quelque chose de complètement différent, '", a-t-il poursuivi. Alors, Qui a raison?

« J'espère que cette étude pourra répondre à la question :si vous achetez une masse pour votre laboratoire, quelle est une attente raisonnable quant au moment où vous seriez réellement en mesure de le mettre en service, et ayez confiance en lui?", A déclaré Abbott.

Plus que la messe seule

Avant de distribuer les artefacts, Le NIST et le CNRC Canada les ont entièrement caractérisés en mesurant leur densité ainsi que leur susceptibilité magnétique, une qualité du comportement du matériau lorsqu'il est exposé à un champ magnétique. Chaque institut a pris la moitié des masses :le CNRC Canada a pris les paires, et le NIST a pris les numéros impairs.

Pour mesurer les densités de leur moitié des poids, les scientifiques canadiens ont utilisé une technique hydrostatique qui consistait à peser chaque artefact successivement dans des fluides de différentes densités connues. Pendant ce temps, Le NIST a mené ses tests de manière aérostatique, en utilisant une chambre de pression qui pourrait peser les artefacts dans différentes densités d'air.

Bien que toutes les masses soient censées être nominalement identiques, Abbott a été surpris de constater que les 15 premiers poids qu'il a mesurés avaient une densité nettement différente des 15 seconds. Il s'est inquiété d'avoir fait une erreur, jusqu'à ce qu'il découvre que son homologue canadien avait mesuré le même écart dans leurs poids.

"Il s'est avéré que le fabricant a utilisé deux barres d'acier différentes qui avaient des densités légèrement différentes, " Abbott a dit, "et nous l'avons vu dans nos mesures."

Lorsqu'ils ont échangé des données pour voir à quel point les chiffres étaient alignés, Abbott a dit, "c'était beau, Juste magnifique. Nous avons utilisé deux techniques très différentes, et il y avait un excellent accord pour cette étude."

Plus tôt ce mois-ci, Le NIST et le CNRC Canada ont distribué 29 des 60 messes, un pour chacun des pays d'Amérique du Sud et d'Amérique centrale participants. Les artefacts restants seront conservés et surveillés par le NIST et le CNRC Canada jusqu'à la fin de l'étude.

Jusqu'au 19 mai, 2019, la définition mondiale de la masse continuera d'être basée sur le kilogramme prototype international (IPK), un cylindre de métal forgé à la fin du XIXe siècle et conservé dans un laboratoire en dehors de Paris, La France. Après cette date, la définition formelle d'un kilogramme sera redéfinie pour s'appuyer sur une constante fondamentale de la nature. Cependant, les artefacts en kilogrammes devraient encore être utilisés dans de nombreuses applications, y compris la diffusion du nouvel étalon de masse.