Usando un dispositivo de última generación para medir la masa, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han hecho su determinación más precisa hasta ahora de la constante de Planck, un valor importante en la ciencia que ayudará a redefinir el kilogramo, la unidad oficial de masa en el SI, o sistema internacional de unidades. Aceptado para publicación en la revista Metrologia , Estos nuevos resultados se adelantan a la fecha límite internacional del 1 de julio para las mediciones que tienen como objetivo redefinir todo el SI en términos de constantes fundamentales de la naturaleza.

La nueva medida NIST de la constante de Planck es 6.626069934 x 10- ³⁴ kg-m ² /s, con una incertidumbre de sólo 13 partes por mil millones. Medición anterior de NIST, publicado en 2016, tenía una incertidumbre de 34 partes por mil millones.

El kilogramo se define actualmente en términos de la masa de un artefacto de platino-iridio almacenado en Francia. Los científicos quieren reemplazar este artefacto físico con una definición más reproducible para el kilogramo que se basa en las constantes fundamentales de la naturaleza.

La constante de Planck permite a los investigadores relacionar la masa con la energía electromagnética. Para medir la constante de Planck, NIST utiliza un instrumento conocido como Kibble balance, originalmente llamado balance de vatios. Los físicos adoptaron ampliamente el nuevo nombre el año pasado para honrar al fallecido físico británico Bryan Kibble, quien inventó la técnica hace más de 40 años.

El balance de Kibble del NIST usa fuerzas electromagnéticas para balancear un kilogramo de masa. Las fuerzas electromagnéticas son proporcionadas por una bobina de alambre intercalada entre dos imanes permanentes. La balanza Kibble tiene dos modos de funcionamiento. En un modo, una corriente eléctrica pasa por la bobina, generando un campo magnético que interactúa con el campo magnético permanente y crea una fuerza ascendente para equilibrar el kilogramo de masa. En el otro modo, la bobina se eleva a velocidad constante. Este movimiento ascendente induce un voltaje en la bobina que es proporcional a la fuerza del campo magnético. Midiendo la corriente, el voltaje y la velocidad de la bobina, los investigadores pueden calcular la constante de Planck, que es proporcional a la cantidad de energía electromagnética necesaria para equilibrar una masa.

Hay tres razones principales para la mejora de las nuevas mediciones, dijo el físico Stephan Schlamminger, líder del esfuerzo NIST.

Primero, los investigadores tienen muchos más datos. El nuevo resultado utiliza mediciones de 16 meses, de diciembre de 2015 a abril de 2017. El aumento de las estadísticas experimentales redujo en gran medida la incertidumbre en su valor de Planck.

En segundo lugar, los investigadores probaron las variaciones en el campo magnético durante ambos modos de operación y descubrieron que habían estado sobrestimando el impacto que el campo magnético de la bobina estaba teniendo sobre el campo magnético permanente. Su posterior ajuste en sus nuevas mediciones aumentó su valor de la constante de Planck y redujo la incertidumbre en su medición.

Finalmente, los investigadores estudiaron con gran detalle cómo la velocidad de la bobina en movimiento afectaba al voltaje. "Variamos la velocidad a la que movimos la bobina a través del campo magnético, de 0,5 a 2 milímetros por segundo, "explicó Darine Haddad, autor principal de los resultados del NIST. En un campo magnético, la bobina actúa como un circuito eléctrico que consta de un condensador (un elemento del circuito que almacena carga eléctrica), una resistencia (un elemento que disipa la energía eléctrica) y un inductor (un elemento que almacena energía eléctrica). En una bobina en movimiento, estos elementos en forma de circuito generan un voltaje eléctrico que cambia con el tiempo, dijo Schlamminger. Los investigadores midieron este cambio de voltaje dependiente del tiempo para tener en cuenta este efecto y redujeron la incertidumbre en su valor.

Esta nueva medición NIST se une a un grupo de otras nuevas mediciones constantes de Planck de todo el mundo. Otra medida de equilibrio de Kibble, del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, tiene una incertidumbre de solo 9,1 partes por mil millones. Otras dos nuevas medidas utilizan la técnica alternativa de Avogadro, que implica contar el número de átomos en una esfera de silicio puro.

Las nuevas mediciones tienen una incertidumbre tan baja que superan los requisitos internacionales para redefinir el kilogramo en términos de la constante de Planck.

"Debían realizarse tres experimentos con incertidumbres por debajo de 50 partes por mil millones, y uno por debajo de 20 partes por mil millones, ", Dijo Schlamminger." Pero tenemos tres por debajo de las 20 partes por mil millones ".

Todos estos nuevos valores de la constante de Planck no se superponen, "pero en general están sorprendentemente bien, "Schlamminger dijo, "especialmente considerando que los investigadores lo están midiendo con dos métodos completamente diferentes". Estos valores se enviarán a un grupo conocido como CODATA antes de la fecha límite del 1 de julio. CODATA considerará todas estas medidas al establecer un nuevo valor para la constante de Planck. El kilogramo está programado para redefinirse en noviembre de 2018, junto con otras unidades en el SI.

Antes de que comenzaran estos experimentos, Schlamminger y su grupo fueron a almorzar en diciembre de 2013. En una servilleta, cada miembro del grupo escribió su predicción del valor de la constante de Planck que el grupo determinaría a través de sus mediciones. Guardaron esta servilleta debajo de su saldo de croquetas hace casi cuatro años, y ahora han comparado las predicciones. Shisong Li, investigador invitado de la Universidad de Tsinghua en China, se acercó más. Su predicción difería solo en alrededor de 5 partes por mil millones del resultado medido. Aún no se sabe cómo el equipo planea celebrar la suposición del ganador.