Wanneer de kilogram, 's werelds basiseenheid van massa, krijgt in 2018 een nieuwe definitie, het zal niet gebaseerd zijn op een fysiek artefact, maar op een constante van de natuur. Echter, onderzoekers zullen de nieuwe definitie nog moeten "realiseren", of vertaal het in een fysiek object, om het mogelijk te maken de nieuwe standaard te distribueren naar de laboratoria en industrieën die deze nodig hebben. Van de twee methoden die grote kanshebbers zijn voor dit realisatieproces - wattbalansen en siliciumbollen - vereisen beide delicate metingen in vacuüm.

Maar de meeste dagelijkse massametingen vinden plaats in gewone lucht. Dit betekent dat om de nieuwe kilogram te verspreiden, onderzoekers moeten betrouwbare manieren vinden om een ​​in vacuüm gemeten massa te vergelijken met een in lucht gemeten massa.

's Werelds nationale metrologische instituten (NMI's) ontwikkelen elk protocollen voor gebruik in hun eigen land. Maar iemand moet controleren of hun verschillende methoden goed werken en vergelijkbare resultaten opleveren.

Dus het International Bureau of Weights and Measures (BIPM), een intergouvernementele organisatie die de voogdij heeft over de huidige officiële kilogramnorm, een paar NMI's gevraagd om een ​​test uit te voeren van hun voorgestelde verspreidingsmethoden, als onderdeel van een pilotstudie om ervoor te zorgen dat de plannen voor de verspreiding van de nieuwe definitie haalbaar zijn. NIST heeft deze maand net zijn test voltooid.

"Voor deze pilotstudie elke NMI heeft een primaire realisatie van een kilogram gedaan met behulp van een wattbalans of een siliciumbol, " zegt Patrick Abbott van de Mass and Force Group in het Physical Measurement Laboratory van NIST. "Het idee was:hoe goed kunnen we die primaire realisatie nemen en doorgeven?"

momenteel, de Amerikaanse standaard voor massa is een cilinder van platina-iridium ter grootte van een pruim, genaamd K20, die regelmatig wordt gekalibreerd tegen 's werelds huidige definitie voor de kilogram - het International Prototype Kilogram (IPK), gehuisvest in het BIPM-hoofdkwartier in Parijs. Na herdefinitie, K20 wordt vervangen door een nieuwe Amerikaanse standaard:de NIST-4 watt balans.

NIST-medewerkers begonnen de pilotstudie door een monstermassa te kalibreren, gemaakt van platina-iridium, in hun watt-balans. Maar de volgende stap - het overbrengen van de kalibratie naar massa's in de lucht - was een beetje lastig. Lucht bevat water en andere onzuiverheden die worden geadsorbeerd door de oppervlakken van de massa's die bij het kalibratieproces worden gebruikt. Dus een massa gemeten in lucht zal iets zwaarder zijn dan diezelfde massa gemeten in vacuüm. De zeurende vraag voor metrologen is:door hoeveel?

NIST-onderzoekers hebben een aantal manieren bedacht om dit probleem op te lossen. De eerste betreft een dubbeldeksinstrument ter grootte van een kamer dat magnetische levitatie gebruikt om een ​​massa in de lucht te laten zweven, om het te balanceren tegen een massa in vacuüm, en maak een directe vergelijking van de twee. Eventueel, dit instrument – ​​de Magnetic Suspension Mass Comparator genoemd – zal de voorkeursmethode zijn om de kilogram te verspreiden. Maar het wordt nog steeds gebouwd en getest, dus het werd niet gebruikt in de droge run.

De tweede methode omvat het gebruik van een set kleinere instrumenten bij NIST. Deze balansen zijn in staat om de massa's van twee objecten tegelijk in gewone lucht of in vacuüm te vergelijken. Voorafgaand aan de droogloop, NIST-medewerkers gebruikten een van deze apparaten om een ​​onderzoek uit te voeren om precies te meten hoeveel massa er aan een object wordt toegevoegd wanneer het van vacuüm naar lucht gaat. op basis van het materiaal en de gladheid van het oppervlak.

Met deze informatie, de NIST-onderzoekers namen de massa die was gekalibreerd met behulp van de wattbalans, verwijderd uit het vacuüm, en vergeleek het - in de lucht - met een paar roestvrijstalen werkstandaarden, van het type dat kan worden gebruikt om de gewichten van klanten te kalibreren. Het team paste de correcties toe die het verzamelde uit zijn adsorptiestudies om de sprong van vacuüm naar lucht te maken.

Om deze bevindingen te verbinden met de huidige definitie voor massa, het team heeft ook al deze testmassa's gemeten tegen een van de officiële Amerikaanse massanormen, waarvan de definitie is gekoppeld aan de IPK.

Abbott zegt dat hij verwacht dat het BIPM begin volgend jaar klaar zal zijn om de resultaten van de pilotstudie te delen. Andere deelnemende NMI's zijn de National Research Council of Canada (NRC Canada) en het Franse Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE), die elk hun eigen wattbalans hebben, evenals het National Metrology Institute of Germany (PTB) en het National Metrology Institute of Japan (NMIJ), die siliciumbollen gebruiken.