Utilizzando un dispositivo all'avanguardia per la misurazione della massa, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno fatto la loro determinazione più precisa della costante di Planck, un valore importante nella scienza che aiuterà a ridefinire il chilogrammo, l'unità ufficiale di massa nel SI, o sistema internazionale di unità. Accettato per la pubblicazione sulla rivista metrologia , questi nuovi risultati anticipano la scadenza internazionale del 1° luglio per le misurazioni che mirano a ridefinire l'intero SI in termini di costanti fondamentali della natura.

La nuova misura NIST della costante di Planck è 6.626069934 x 10- ³⁴ kg-m ² /S, con un'incertezza di sole 13 parti per miliardo. La misurazione precedente del NIST, pubblicato nel 2016, aveva un'incertezza di 34 parti per miliardo.

Il chilogrammo è attualmente definito in termini di massa di un manufatto in platino-iridio conservato in Francia. Gli scienziati vogliono sostituire questo artefatto fisico con una definizione più riproducibile per il chilogrammo che si basa sulle costanti fondamentali della natura.

La costante di Planck consente ai ricercatori di mettere in relazione la massa con l'energia elettromagnetica. Per misurare la costante di Planck, Il NIST utilizza uno strumento noto come Kibble Balance, originariamente chiamato il bilanciamento dei watt. I fisici hanno ampiamente adottato il nuovo nome lo scorso anno per onorare il compianto fisico britannico Bryan Kibble, che ha inventato la tecnica più di 40 anni fa.

La bilancia Kibble del NIST utilizza le forze elettromagnetiche per bilanciare una massa di un chilogrammo. Le forze elettromagnetiche sono fornite da una bobina di filo inserita tra due magneti permanenti. La bilancia Kibble ha due modalità di funzionamento. In una modalità, una corrente elettrica passa attraverso la bobina, generando un campo magnetico che interagisce con il campo magnetico permanente e crea una forza verso l'alto per bilanciare la massa del chilogrammo. Nell'altra modalità, la bobina viene sollevata a velocità costante. Questo movimento verso l'alto induce una tensione nella bobina che è proporzionale alla forza del campo magnetico. Misurando la corrente, la tensione e la velocità della bobina, i ricercatori possono calcolare la costante di Planck, che è proporzionale alla quantità di energia elettromagnetica necessaria per bilanciare una massa.

Ci sono tre ragioni principali per il miglioramento delle nuove misurazioni, disse il fisico Stephan Schlamminger, leader dello sforzo del NIST.

Primo, i ricercatori hanno molti più dati. Il nuovo risultato utilizza 16 mesi di misurazioni, da dicembre 2015 ad aprile 2017. L'aumento delle statistiche sperimentali ha ridotto notevolmente l'incertezza nel loro valore di Planck.

In secondo luogo, i ricercatori hanno testato le variazioni del campo magnetico durante entrambe le modalità di funzionamento e hanno scoperto di aver sovrastimato l'impatto che il campo magnetico della bobina stava avendo sul campo magnetico permanente. Il loro successivo aggiustamento nelle loro nuove misurazioni ha aumentato il loro valore della costante di Planck e ridotto l'incertezza nella loro misurazione.

Finalmente, i ricercatori hanno studiato in dettaglio come la velocità della bobina mobile ha influenzato la tensione. "Abbiamo variato la velocità con cui abbiamo spostato la bobina attraverso il campo magnetico, da 0,5 a 2 millimetri al secondo, "ha spiegato Darine Haddad, autore principale dei risultati del NIST. In un campo magnetico, la bobina si comporta come un circuito elettrico costituito da un condensatore (un elemento del circuito che immagazzina la carica elettrica), un resistore (un elemento che dissipa energia elettrica) e un induttore (un elemento che immagazzina energia elettrica). In una bobina mobile, questi elementi circuitali generano una tensione elettrica che cambia nel tempo, disse Schlamminger. I ricercatori hanno misurato questa variazione di tensione dipendente dal tempo per tenere conto di questo effetto e hanno ridotto l'incertezza nel loro valore.

Questa nuova misurazione NIST si unisce a un gruppo di altre nuove misurazioni costanti di Planck provenienti da tutto il mondo. Un'altra misurazione del bilancio di Kibble, dal Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada, ha un'incertezza di appena 9,1 parti per miliardo. Altre due nuove misurazioni utilizzano la tecnica alternativa di Avogadro, che comporta il conteggio del numero di atomi in una sfera di silicio puro.

Le nuove misurazioni hanno un'incertezza così bassa da superare i requisiti internazionali per la ridefinizione del chilogrammo in termini di costante di Planck.

"Dovevano essere tre esperimenti con incertezze inferiori a 50 parti per miliardo, e uno sotto le 20 parti per miliardo, " ha detto Schlamminger. "Ma ne abbiamo tre sotto le 20 parti per miliardo".

Tutti questi nuovi valori della costante di Planck non si sovrappongono, "ma nel complesso sono incredibilmente d'accordo, "Schlamminger ha detto, "soprattutto considerando che i ricercatori lo stanno misurando con due metodi completamente diversi". Questi valori saranno presentati a un gruppo noto come CODATA prima della scadenza del 1 luglio. CODATA prenderà in considerazione tutte queste misurazioni per impostare un nuovo valore per la costante di Planck. Il chilogrammo è previsto per la ridefinizione nel novembre 2018, insieme ad altre unità del SI.

Prima di iniziare questi esperimenti, Schlamminger e il suo gruppo sono andati a pranzo nel dicembre 2013. Su un tovagliolo, ogni membro del gruppo ha scritto la sua previsione del valore della costante di Planck che il gruppo avrebbe determinato attraverso le sue misurazioni. Hanno nascosto questo tovagliolo sotto la bilancia Kibble quasi quattro anni fa, e ora hanno confrontato le previsioni. Shisong Li, un ricercatore ospite della Tsinghua University in Cina, è venuto più vicino. La sua previsione differiva solo di circa 5 parti per miliardo dal risultato misurato. Non si sa ancora come la squadra intende celebrare l'ipotesi del vincitore.