Patrick Abbott del NIST con uno dei due bilanci più piccoli, utilizzato per gli studi vuoto-aria. Credito:Istituto nazionale di standard e tecnologia
Quando il chilogrammo, l'unità di massa di base del mondo, ottiene una nuova definizione nel 2018, non si baserà su un manufatto fisico ma su una costante della natura. Però, i ricercatori dovranno ancora "realizzare" la nuova definizione, o tradurlo in un oggetto fisico, per rendere possibile la distribuzione del nuovo standard ai laboratori e alle industrie che ne hanno bisogno. Dei due metodi che sono i principali contendenti per questo processo di realizzazione - bilanci di watt e sfere di silicio - entrambi richiedono misurazioni delicate nel vuoto.
Ma la maggior parte delle misurazioni di massa quotidiane avviene in aria normale. Ciò significa che per diffondere il nuovo chilogrammo, i ricercatori devono trovare modi affidabili per confrontare una massa misurata nel vuoto con una misurata nell'aria.
Gli istituti nazionali di metrologia (INM) del mondo stanno sviluppando protocolli da utilizzare nei propri paesi. Ma qualcuno deve controllare per assicurarsi che i loro vari metodi funzionino bene e ottengano risultati comparabili.
Così l'International Bureau of Weights and Measures (BIPM), un'organizzazione intergovernativa che ha la custodia dell'attuale standard ufficiale del chilogrammo, ha chiesto ad alcuni NMI di eseguire una prova dei metodi di diffusione proposti, nell'ambito di uno studio pilota per garantire la fattibilità dei piani per la diffusione della nuova definizione. Il NIST ha appena completato la sua prova questo mese.
"Per questo studio pilota, ogni NMI ha realizzato una realizzazione primaria di un chilogrammo utilizzando una bilancia in watt o una sfera di silicio, " dice Patrick Abbott del Mass and Force Group nel Physical Measurement Laboratory del NIST. "L'idea era:quanto possiamo prendere questa realizzazione primaria e trasmetterla?"
Attualmente, lo standard statunitense per la massa è un cilindro di platino-iridio delle dimensioni di una prugna chiamato K20, che viene regolarmente calibrato rispetto all'attuale definizione mondiale del chilogrammo:l'International Prototype Kilogram (IPK), ospitato presso la sede del BIPM a Parigi. Dopo la ridefinizione, K20 sarà sostituito da un nuovo standard statunitense:il bilanciamento NIST-4 watt.
Un primo piano dell'interno del piccolo apparato utilizzato per gli studi vuoto-aria. Un chilogrammo standard (a sinistra) è pronto per essere confrontato con una pila di dischi (a destra). I due oggetti hanno la stessa massa nominale, sono composti dello stesso materiale, e hanno all'incirca la stessa forma, ma l'oggetto a destra ha una superficie totale maggiore. Misurando come le masse degli standard cambiano l'una rispetto all'altra sia nell'aria che nel vuoto, i ricercatori possono calcolare come la massa di un oggetto cambia con l'esposizione all'aria. Credito:Istituto nazionale di standard e tecnologia
Il personale del NIST ha iniziato lo studio pilota calibrando una massa campione, in platino-iridio, nel loro bilancio di watt. Ma il passaggio successivo – trasferire la calibrazione alle masse nell'aria – è stato un po' complicato. L'aria contiene acqua e altre impurità che vengono adsorbite dalle superfici delle masse utilizzate nel processo di calibrazione. Quindi una massa misurata nell'aria sarà leggermente più pesante della stessa massa misurata nel vuoto. La domanda assillante per i metrologi è:di quanto?
I ricercatori del NIST hanno preparato un paio di modi per superare questo problema. Il primo riguarda uno strumento a due piani delle dimensioni di una stanza che utilizza la levitazione magnetica per far galleggiare una massa nell'aria, per bilanciarlo contro una massa nel vuoto, e fare un confronto diretto tra i due. Infine, questo strumento – denominato Comparatore di massa a sospensione magnetica – sarà il metodo preferito per la diffusione del chilogrammo. Ma è ancora in fase di costruzione e sperimentazione, quindi non è stato utilizzato nella corsa a secco.
Il secondo metodo prevede l'utilizzo di una serie di strumenti più piccoli presso il NIST. Queste bilance sono in grado di confrontare le masse di due oggetti alla volta sia nell'aria normale che nel vuoto. Prima della corsa a secco, Il personale del NIST ha utilizzato uno di questi apparecchi per condurre uno studio che misura esattamente quanta massa viene aggiunta a un oggetto quando passa dal vuoto all'aria, in base al suo materiale e alla levigatezza della sua superficie.
Con queste informazioni, i ricercatori del NIST hanno preso la massa che era stata calibrata usando il bilanciamento dei watt, rimosso dal vuoto, e lo ha confrontato – in aria – con una coppia di standard di lavorazione dell'acciaio inossidabile, del tipo che potrebbe essere utilizzato per calibrare i pesi dei clienti. Il team ha applicato le correzioni raccolte dai suoi studi di adsorbimento per fare il salto dal vuoto all'aria.
Per collegare questi risultati all'attuale definizione di massa, il team ha anche misurato tutte queste masse di prova rispetto a uno degli standard di massa ufficiali degli Stati Uniti, la cui definizione è legata all'IPK.
Abbott afferma di aspettarsi che il BIPM sarà pronto a condividere i risultati dello studio pilota entro l'inizio del prossimo anno. Altri NMI partecipanti includono il National Research Council of Canada (NRC Canada) e il francese Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE), ognuno dei quali ha il proprio bilanciamento in watt, così come l'Istituto nazionale di metrologia della Germania (PTB) e l'Istituto nazionale di metrologia del Giappone (NMIJ), che utilizzano sfere di silicio.
