El vacío proporciona un terreno sólido para la nueva definición del kilogramo

De todas las unidades estándar actualmente en uso en todo el mundo, el kilogramo – la unidad oficial de la masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI) – es el único que todavía se basa en un objeto físico para su definición. Sin embargo, la revisión de esta definición obsoleta requerirá mediciones  precisas que los investigadores aún no son capaces de hacer, dijo Patrick Abbott, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg (EE.UU.), Md. Abbott presentará una visión general de los esfuerzos actuales en la tecnología del vacío para redefinir el kilogramo en el 60º AVS International Symposium and Exhibition, que se celebró del 27 de octubre al uno de noviembre de 2013, en Long Beach, California.

Abbott también describirá el desarrollo de su equipo del NIST de un nuevo sistema para permitir una comparación directa de un objeto que está siendo intervenido en el vacío a uno fuera de un vacío. ”El nuestro es el único proyecto de su tipo en el mundo”, dijo Abbott , “y creemos que será fundamental en la difusión precisa del kilogramo redefinido.”

El kilogramo oficial, llamado el Kilogramo Prototipo Internacional (IPK), se almacena en una oficina en las afueras de París, Francia, y ha servido como el estándar al que kilogramos prototipos de todas las naciones se han comparado en los últimos 125 años. Cada pocas décadas, los prototipos nacionales se realizan, por lo general a mano, a Francia, donde se miden contra el IPK. Sin embargo, las discrepancias entre los prototipos nacionales y el modelo oficial han estado aumentando a un ritmo de 0.050 miligramos (mg) cada 100 años. Y nadie sabe por qué.

“En realidad no es claro si el IPK es cada vez más ligero o los prototipos nacionales son cada vez más pesados”, dijo Abbott. La pérdida de masa debida al desgaste es poco probable debido a que el IPK casi nunca se saca de su urna. Para hacer frente a estas discrepancias, una asamblea internacional de metrología – los investigadores que estudian la ciencia de la medición – decidió en 2007 dejar de depender del prototipo y redefinir el kilogramo utilizando algo más fiable: una constante de la naturaleza.

Los metrólogos finalmente eligieron la constante de Planck, que describe la relación entre la energía de un fotón y la frecuencia de la luz que emite. Su valor se ha medido con una incertidumbre relativa de entre 30×10^?9 y 35×10^-9. Sin embargo, para asegurar el acuerdo entre el sistema actual y el kilogramo definido en base a la constante de Planck, los investigadores tendrán que mejorar sus mediciones a una incertidumbre relativa de 20×10^-9.Y para obtener mejores mediciones, tendrán la capacidad de realizar la metrología “estado del arte” en el vacío.

Actualmente, los investigadores utilizan dos tipos de experimento para medir la constante de Planck, y ambos requieren vacío. Un método implica la determinación del número de átomos en una esfera de silicio de alta pureza con una masa nominal de un kilogramo. La otra, llamada la balanza watt, mide la constante de una comparación indirecta o “virtual” de energía mecánica a la energía electromagnética. El uso de vacío asegura que no hay contaminación de partículas en el aire y reduce la incertidumbre en algunas de las mediciones que se llevan a cabo con la interferometría láser.

Los investigadores que utilizan el experimento balanza watt en los institutos nacionales de medición alrededor del mundo están trabajando para encontrar los materiales más adecuados para la medición de la constante de Planck con este método. También se está trabajando para encontrar un nivel de vacío que sea lo suficientemente bueno para obtener resultados sin ser demasiado difícil de construir y mantener. Hasta ahora, los investigadores están en condiciones de tener una nueva definición del kilogramo en 2018, dijo Abbott.

Mientras que muchos equipos de todo el mundo trabajan para mejorar las mediciones de la constante de Planck, el grupo de Abbott está mirando más allá de la redefinición y hacia la realización práctica de estas mediciones.

“Cada vez que se produce la redefinición, se requerirá un método robusto para difundir el kilogramo realizado en el vacío a un mundo que funciona en el aire”, dijo Abbott. Su grupo trabaja en la creación de un sistema para cerrar la interfaz de vacío /aire usando una técnica de suspensión magnética. La puesta en marcha permitirá una comparación directa entre la masa de un kilogramo estándar en el vacío y la masa de una muestra en la atmósfera de una habitación normal.