Quando due chilogrammi nominalmente identici non sono più identici? Quando ognuno va in un posto diverso e assorbe quantità variabili di umidità e contaminanti.

Esplorando questo problema, il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti e il National Research Council (Canada) stanno collaborando con i laboratori di misurazione del Nord, Centro e Sud America per capire meglio come le masse dei pesi di precisione salgono e scendono nel tempo.

Sperano che i risultati andranno a beneficio del commercio internazionale, in cui anche piccole imprecisioni di misura possono avere impatti significativi.

Per garantire che un chilo di patate al supermercato pesi davvero un chilo, la bilancia di un negozio deve essere calibrata regolarmente. Per questo tipo di calibrazione, i consumatori alla fine si affidano ad artefatti di massa, pezzi di metallo la cui massa è stata misurata con precisione. Gli scienziati conoscono la massa perché ogni artefatto è stato a sua volta confrontato con altri artefatti in una catena ininterrotta di confronti che risale alla definizione fondamentale di massa stessa.

I laboratori di standard mantengono uno stuolo di manufatti di massa per confronti come questi, che alla fine vengono utilizzati per calibrare qualsiasi cosa, dalle bilance della spesa alle bilance da bagno. Di volta in volta, questi laboratori richiedono un manufatto di massa aggiuntivo o sostitutivo per la loro raccolta.

Nei primi mesi della sua vita, però, la massa di un nuovo artefatto può cambiare in modo significativo poiché il metallo appena tagliato assorbe le molecole dal suo ambiente.

C'è qualche disaccordo su quanto tempo gli scienziati devono aspettare prima di poter essere certi che la massa di un nuovo artefatto sia stabile. Così, Il NIST e l'NRC Canada hanno progettato il nuovo, enorme esperimento per aiutare a risolvere questo problema.

L'esperimento prevede 60 pesi nominali identici da un chilogrammo, ordinato per essere realizzato da un'unica asta di acciaio inossidabile di alta qualità. Circa la metà di queste 60 unità sono state distribuite in 29 paesi nell'ambito dell'Inter-American Metrology System (SIM), una rete di istituti nazionali di metrologia (INM) situati nel Nord, Sud e Centro America, così come le nazioni insulari.

Per un anno o più, i rappresentanti della SIM per ogni paese misureranno la massa del loro artefatto ogni pochi mesi e invieranno i dati a NIST e NRC Canada. Monitoreranno anche l'ambiente di ogni massa, compresa la temperatura del laboratorio, pressione barometrica, umidità e composti organici volatili (COV), una misura della qualità dell'aria.

"L'intera cosa sarà un enorme studio di stabilità su una scala che nessuno ha mai fatto prima, " ha detto il fisico del NIST Patrick Abbott. "Poiché le masse sono prese dalla stessa barra d'acciaio, ti aspetteresti che possano avere la stessa risposta a lungo termine." Tuttavia, si prevede che le condizioni nei diversi laboratori SIM influiranno sulla velocità con cui le masse cambiano, a seconda delle qualità come l'altitudine e la quantità di sale nell'aria. Per i primi mesi della loro vita, le masse sono state mantenute negli Stati Uniti e in Canada. Ora, la metà di essi sarà conservata in laboratori vicino all'equatore e ben nell'emisfero australe.

"Allora come cambieranno le masse?" ha detto Abbott. "Una volta arrivati ​​laggiù, non seguiranno necessariamente lo stesso schema che seguono in Nord America".

Pelo di gatto su pantaloni neri

Un nuovo manufatto, appena tagliato, è come una spugna:raccoglie molecole dall'aria, e questo aumenta leggermente la sua massa nel tempo. I nuovi artefatti utilizzati in questo esperimento hanno meno di un anno e, perciò, in una fase di aumento di peso relativamente rapido dell'ordine di 7 microgrammi (milionesimi di grammo) in sei mesi. Questo potrebbe sembrare troppo piccolo per avere importanza, ma anche piccoli cambiamenti, specialmente se imprevedibili, possono aumentare le incertezze nelle misurazioni di laboratorio.

"Questi pesi stanno cambiando, " Ha detto Abbott. "Stanno raccogliendo cose dall'aria, un po' come i pantaloni neri in una casa con un gatto bianco."

Ad un certo punto, quel processo di solito si arresta o rallenta in modo significativo. La domanda è, quanto tempo deve aspettare un laboratorio prima di poter essere sicuro che la sua massa abbia raggiunto una fase stabile? E come cambia quel periodo a seconda della posizione del laboratorio e delle condizioni ambientali medie?

Gli studi precedenti tendevano ad essere su piccola scala, condotto in un unico laboratorio. Abbott e i suoi colleghi del NIST e dell'NRC Canada si sono chiesti se uno sforzo su larga scala avrebbe aiutato a risolvere le discrepanze nei risultati precedenti.

"Proprio adesso, molti degli studi che sono stati fatti sono stati molto localizzati:un laboratorio, una persona, in una serie di condizioni, " ha detto Abbott. "Ma un'altra persona in un altro laboratorio potrebbe fare lo stesso studio e dire, 'in queste condizioni, abbiamo qualcosa di completamente diverso, '" ha continuato. Quindi, chi ha ragione?

"Speriamo che questo studio sia in grado di rispondere alla domanda:se acquisti una massa per il tuo laboratorio, qual è un'aspettativa ragionevole di quando saresti effettivamente in grado di metterlo in servizio, e avere fiducia in esso?" disse Abbott.

Più della sola massa

Prima di distribuire gli artefatti, NIST e NRC Canada li hanno caratterizzati completamente misurando la loro densità e la loro suscettibilità magnetica, una qualità di come si comporta il materiale quando è esposto a un campo magnetico. Ogni istituto ha preso metà delle messe:NRC Canada ha preso quelle pari, e il NIST ha preso quelli dispari.

Per misurare le densità della loro metà dei pesi, gli scienziati canadesi hanno utilizzato una tecnica idrostatica che prevedeva la pesatura di ciascun manufatto in successione in fluidi di diversa densità nota. Nel frattempo, Il NIST ha condotto i suoi test aerostaticamente, utilizzando una camera a pressione in grado di pesare i manufatti a diverse densità d'aria.

Sebbene tutte le masse dovessero essere nominalmente identiche, Abbott fu sorpreso di scoprire che i primi 15 pesi che aveva misurato avevano una densità nettamente diversa dai secondi 15. Temeva di aver commesso un errore, finché non scoprì che la sua controparte canadese aveva misurato la stessa discrepanza nei loro pesi.

"Si è scoperto che il produttore utilizzava due diverse barre di acciaio con densità leggermente diverse, "Abbot ha detto, "e lo abbiamo visto nelle nostre misurazioni."

Quando si sono scambiati i dati per vedere quanto strettamente allineati i numeri, Abbot ha detto, "è stato bellissimo, semplicemente bellissima. Abbiamo usato due tecniche molto diverse, e c'era un eccellente accordo per questo studio."

All'inizio di questo mese, NIST e NRC Canada hanno distribuito 29 delle 60 messe, uno a ciascuno dei paesi partecipanti del Sud e Centro America. Gli artefatti rimanenti saranno conservati e monitorati dal NIST e dall'NRC Canada fino al completamento dello studio.

Fino al 19 maggio 2019, la definizione mondiale di massa continuerà ad essere basata sull'International Prototype Kilogram (IPK), un cilindro di metallo forgiato alla fine del XIX secolo e conservato in un laboratorio fuori Parigi, Francia. Dopo questa data, la definizione formale di chilogrammo sarà ridefinita per fare affidamento su una costante fondamentale della natura. Però, si prevede che gli artefatti da chilogrammi vengano ancora utilizzati in molte applicazioni, compresa la diffusione del nuovo standard di massa.