Met behulp van een state-of-the-art apparaat voor het meten van massa, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben hun meest nauwkeurige bepaling tot nu toe gemaakt van de constante van Planck, een belangrijke waarde in de wetenschap die zal helpen om de kilogram te herdefiniëren, de officiële massa-eenheid in de SI, of internationaal systeem van eenheden. Geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Metrologie , deze nieuwe resultaten komen voor een internationale deadline van 1 juli voor metingen die tot doel hebben de hele SI te herdefiniëren in termen van fundamentele natuurconstanten.

De nieuwe NIST-meting van de constante van Planck is 6.626069934 x 10- ³⁴ kg-m ² /s, met een onzekerheid van slechts 13 delen per miljard. NIST's vorige meting, gepubliceerd in 2016, had een onzekerheid van 34 delen per miljard.

De kilogram wordt momenteel gedefinieerd in termen van de massa van een platina-iridiumartefact dat in Frankrijk is opgeslagen. Wetenschappers willen dit fysieke artefact vervangen door een meer reproduceerbare definitie voor de kilogram die is gebaseerd op fundamentele natuurconstanten.

De constante van Planck stelt onderzoekers in staat om massa te relateren aan elektromagnetische energie. Om de constante van Planck te meten, NIST gebruikt een instrument dat bekend staat als de Kibble-balans, oorspronkelijk de wattbalans genoemd. Natuurkundigen hebben de nieuwe naam vorig jaar op grote schaal aangenomen ter ere van de overleden Britse natuurkundige Bryan Kibble, die de techniek meer dan 40 jaar geleden uitvond.

De Kibble-balans van NIST gebruikt elektromagnetische krachten om een ​​kilogrammassa in evenwicht te brengen. De elektromagnetische krachten worden geleverd door een draadspoel die is ingeklemd tussen twee permanente magneten. De Kibble-balans heeft twee werkingsmodi. In één modus, er gaat een elektrische stroom door de spoel, het genereren van een magnetisch veld dat interageert met het permanente magnetische veld en een opwaartse kracht creëert om de kilogrammassa in evenwicht te brengen. In de andere modus, de spoel wordt met een constante snelheid opgetild. Deze opwaartse beweging induceert een spanning in de spoel die evenredig is met de sterkte van het magnetische veld. Door de stroom te meten, de spanning en de snelheid van de spoel, onderzoekers kunnen de constante van Planck berekenen, die evenredig is met de hoeveelheid elektromagnetische energie die nodig is om een ​​massa in evenwicht te brengen.

Er zijn drie belangrijke redenen voor de verbetering van de nieuwe metingen:zei natuurkundige Stephan Schlamminger, leider van de NIST-inspanning.

Eerst, de onderzoekers hebben veel meer gegevens. Het nieuwe resultaat maakt gebruik van 16 maanden aan metingen, van december 2015 tot april 2017. De toename van experimentele statistieken verminderde de onzekerheid in hun Planck-waarde aanzienlijk.

Ten tweede, de onderzoekers testten op variaties in het magnetische veld tijdens beide werkingsmodi en ontdekten dat ze de impact van het magnetische veld van de spoel op het permanente magnetische veld hadden overschat. Hun daaropvolgende aanpassing in hun nieuwe metingen verhoogde zowel hun waarde van de constante van Planck als de onzekerheid in hun meting.

Eindelijk, de onderzoekers bestudeerden tot in detail hoe de snelheid van de bewegende spoel de spanning beïnvloedde. "We varieerden de snelheid waarmee we de spoel door het magnetische veld bewogen, van 0,5 tot 2 millimeter per seconde, " legde Darine Haddad uit, hoofdauteur van de NIST-resultaten. In een magnetisch veld, de spoel werkt als een elektrisch circuit dat bestaat uit een condensator (een circuitelement dat elektrische lading opslaat), een weerstand (een element dat elektrische energie dissipeert) en een inductor (een element dat elektrische energie opslaat). In een bewegende spoel, deze circuitachtige elementen genereren een elektrische spanning die in de loop van de tijd verandert, zei Schlamminger. De onderzoekers maten deze tijdsafhankelijke spanningsverandering om rekening te houden met dit effect en verminderden de onzekerheid in hun waarde.

Deze nieuwe NIST-meting voegt zich bij een groep andere nieuwe constante metingen van Planck van over de hele wereld. Nog een Kibble-balansmeting, van de Nationale Onderzoeksraad van Canada, heeft een onzekerheid van slechts 9,1 delen per miljard. Twee andere nieuwe metingen gebruiken de alternatieve Avogadro-techniek, waarbij het aantal atomen in een zuivere siliciumbol wordt geteld.

De nieuwe metingen hebben zo'n lage onzekerheid dat ze de internationale vereisten voor het herdefiniëren van de kilogram in termen van de constante van Planck overtreffen.

"Er waren drie experimenten nodig met onzekerheden van minder dan 50 delen per miljard, en één onder de 20 delen per miljard, "Zei Schlamminger. "Maar we hebben er drie onder de 20 delen per miljard."

Al deze nieuwe waarden van de constante van Planck overlappen elkaar niet, "maar over het algemeen zijn ze het verbazingwekkend goed met elkaar eens, "Schlamminger zei, "Vooral gezien het feit dat onderzoekers het meten met twee totaal verschillende methoden." Deze waarden zullen vóór de deadline van 1 juli worden ingediend bij een groep die bekend staat als CODATA. CODATA zal al deze metingen in overweging nemen bij het bepalen van een nieuwe waarde voor de constante van Planck. De kilogram is gepland voor herdefiniëring in november 2018, samen met andere eenheden in de SI.

Voordat ze met deze experimenten begonnen, Schlamminger en zijn groep gingen in december 2013 lunchen. Op een lunchservet, elk groepslid schreef zijn of haar voorspelling van de waarde van de constante van Planck die de groep zou bepalen door middel van hun metingen. Ze stopten dit servet bijna vier jaar geleden onder hun Kibble-balans, en ze hebben nu de voorspellingen vergeleken. Shisong Li, een gastonderzoeker van de Tsinghua University in China, het dichtst in de buurt kwam. Zijn voorspelling verschilde slechts ongeveer 5 delen per miljard van het gemeten resultaat. Er is nog geen woord over hoe het team van plan is om de gok van de winnaar te vieren.