Avant le 1er juillet, l'équipe rend sa mesure la plus précise encore de la constante de Planck – ScienceDaily

À l'aide d'un appareil de pointe pour la mesure de la masse, des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST ) Ont encore déterminé précisément la constante de Planck, une valeur importante dans la science qui aidera à redéfinir le kilogramme, l'unité de masse officielle dans l'IS ou le système international d'unités. Accepté pour publication (lien externe) dans la revue Metrologia ces nouveaux résultats sont en avance sur un délai international du 1er juillet pour les mesures visant à redéfinir l'ensemble de l'IS en termes de constantes fondamentales de la nature.

La nouvelle mesure NIST de la constante de Planck est de 6.626069934 x 10- 34 kg-m 2 / s, avec une incertitude de seulement 13 parties par milliard. La mesure antérieure du NIST, publiée en 2016, avait une incertitude de 34 parties par milliard.

Le kilogramme est actuellement défini en termes de masse d'un artefact de platine-iridium stocké en France. Les scientifiques veulent remplacer cet artefact physique par une définition plus reproductible du kilogramme qui repose sur des constantes fondamentales de la nature.

La constante de Planck permet aux chercheurs de relier la masse à l'énergie électromagnétique. Pour mesurer la constante de Planck, le NIST utilise un instrument connu sous le nom de balance Kibble, initialement appelé balance de watt. Les physiciens ont largement adopté le nouveau nom l'année dernière pour honorer le physicien britannique britannique Bryan Kibble, qui a inventé la technique il y a plus de 40 ans.

L'équilibre Kibble du NIST utilise des forces électromagnétiques pour équilibrer une masse de kilogramme. Les forces électromagnétiques sont fournies par une bobine de fil intercalaire entre deux aimants permanents. La balance Kibble dispose de deux modes de fonctionnement. Dans un mode, un courant électrique passe par la bobine, générant un champ magnétique qui interagit avec le champ magnétique permanent et crée une force ascendante pour équilibrer la masse du kilogramme. Dans l'autre mode, la bobine est soulevée à une vitesse constante. Ce mouvement vers le haut induit une tension dans la bobine proportionnelle à la force du champ magnétique. En mesurant le courant, la tension et la vitesse de la bobine, les chercheurs peuvent calculer la constante de Planck, qui est proportionnelle à la quantité d'énergie électromagnétique nécessaire pour équilibrer une masse.

Il existe trois raisons principales pour l'amélioration des nouvelles mesures, a déclaré le physicien Stephan Schlamminger, chef de l'effort du NIST.

Premièrement, les chercheurs ont beaucoup plus de données. Le nouveau résultat utilise des mesures de 16 mois, de décembre 2015 à avril 2017. L'augmentation des statistiques expérimentales a considérablement réduit l'incertitude dans leur valeur de Planck.

Deuxièmement, les chercheurs ont testé les variations du champ magnétique au cours des deux modes de fonctionnement et ont découvert qu'ils avaient surestimé l'impact du champ magnétique de la bobine sur le champ magnétique permanent. Leur ajustement ultérieur dans leurs nouvelles mesures a augmenté leur valeur de la constante de Planck et réduit l'incertitude dans leur mesure.

Enfin, les chercheurs ont étudié en détail comment la vitesse de la bobine mobile a affecté la tension. "Nous avons varié la vitesse que nous avons déplacé la bobine dans le champ magnétique, de 0,5 à 2 millimètres par seconde", explique Darine Haddad, auteur principal des résultats du NIST. Dans un champ magnétique, la bobine agit comme un circuit électrique constitué d'un condensateur (un élément de circuit qui stocke la charge électrique), une résistance (un élément qui dissipe l'énergie électrique) et une inductance (un élément qui stocke l'énergie électrique). Dans une bobine mobile, ces éléments en forme de circuit génèrent une tension électrique qui change avec le temps, a déclaré Schlamminger. Les chercheurs ont mesuré ce changement de tension dépendant du temps pour tenir compte de cet effet et ont réduit l'incertitude de leur valeur.

Cette nouvelle mesure du NIST s'inscrit dans un groupe d'autres mesures constantes de Planck de partout dans le monde. Une autre mesure du solde Kibble (lien externe), du Conseil national de recherches du Canada, a une incertitude de seulement 9,1 parties par milliard. Deux autres nouvelles mesures utilisent la technique alternative d'Avogadro, qui consiste à compter le nombre d'atomes dans une sphère de silicium pur.

Les nouvelles mesures ont une si faible incertitude qu'elles dépassent les exigences internationales pour redéfinir le kilogramme en termes de constante de Planck.

"Il fallait trois expériences avec des incertitudes inférieures à 50 parties par milliard et une moins de 20 parties par milliard", a déclaré Schlamminger. "Mais nous avons trois moins de 20 parties par milliard."

Toutes ces nouvelles valeurs de la constante de Planck ne se chevauchent pas ", mais dans l'ensemble, ils sont très agréables", a déclaré Schlamminger, "en particulier en considérant que les chercheurs le mesurent avec deux méthodes complètement différentes". Ces valeurs seront soumises à un groupe appelé CODATA avant le 1er juillet. CODATA considérera toutes ces mesures dans la définition d'une nouvelle valeur pour la constante de Planck. Le kilogramme est prévu pour la redéfinition en novembre 2018, ainsi que d'autres unités dans le SI.

Avant de commencer ces expériences, Schlamminger et son groupe sont allés déjeuner en décembre 2013. Sur une serviette de déjeuner, chaque membre du groupe a écrit sa prédiction de la valeur de la constante de Planck que le groupe déterminerait par ses mesures. Ils ont caché cette serviette sous leur équilibre Kibble il y a près de quatre ans, et ils ont maintenant comparé les prédictions. Shisong Li, un chercheur invité de l'Université de Tsinghua en Chine, est venu le plus près. Sa prédiction différait seulement d'environ 5 parties par milliard du résultat mesuré. Il n'y a pas encore de mots sur la façon dont l'équipe prévoit de célébrer la conjecture du gagnant.

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