Usando um dispositivo de última geração para medir a massa, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) fizeram sua determinação mais precisa da constante de Planck, um valor importante na ciência que ajudará a redefinir o quilograma, a unidade oficial de massa no SI, ou sistema internacional de unidades. Aceito para publicação na revista Metrologia , esses novos resultados vêm antes do prazo internacional de 1º de julho para medições que visam redefinir todo o SI em termos de constantes fundamentais da natureza.

A nova medição NIST da constante de Planck é 6,626069934 x 10- ³⁴ kg-m ² / s, com uma incerteza de apenas 13 partes por bilhão. Medição anterior do NIST, publicado em 2016, teve uma incerteza de 34 partes por bilhão.

O quilograma é atualmente definido em termos da massa de um artefato de platina-irídio armazenado na França. Os cientistas querem substituir esse artefato físico por uma definição mais reproduzível para o quilograma, baseada em constantes fundamentais da natureza.

A constante de Planck permite aos pesquisadores relacionar a massa à energia eletromagnética. Para medir a constante de Planck, O NIST usa um instrumento conhecido como equilíbrio de Kibble, originalmente chamado de equilíbrio de watt. Os físicos adotaram amplamente o novo nome no ano passado para homenagear o falecido físico britânico Bryan Kibble, que inventou a técnica há mais de 40 anos.

O equilíbrio de Kibble do NIST usa forças eletromagnéticas para equilibrar a massa de um quilograma. As forças eletromagnéticas são fornecidas por uma bobina de fio ensanduichada entre dois ímãs permanentes. A balança Kibble tem dois modos de operação. Em um modo, uma corrente elétrica passa pela bobina, gerar um campo magnético que interage com o campo magnético permanente e cria uma força ascendente para equilibrar a massa do quilograma. No outro modo, a bobina é levantada a uma velocidade constante. Este movimento ascendente induz uma voltagem na bobina que é proporcional à força do campo magnético. Medindo a corrente, a tensão e a velocidade da bobina, os pesquisadores podem calcular a constante de Planck, que é proporcional à quantidade de energia eletromagnética necessária para equilibrar uma massa.

Existem três razões principais para a melhoria nas novas medições, disse o físico Stephan Schlamminger, líder do esforço do NIST.

Primeiro, os pesquisadores têm muito mais dados. O novo resultado usa 16 meses de medições, de dezembro de 2015 a abril de 2017. O aumento nas estatísticas experimentais reduziu muito a incerteza em seu valor de Planck.

Em segundo lugar, os pesquisadores testaram as variações no campo magnético durante os dois modos de operação e descobriram que haviam superestimado o impacto do campo magnético da bobina no campo magnético permanente. O ajuste subseqüente em suas novas medições aumentou o valor da constante de Planck e reduziu a incerteza em suas medições.

Finalmente, os pesquisadores estudaram detalhadamente como a velocidade da bobina em movimento afetava a voltagem. "Variamos a velocidade com que movemos a bobina através do campo magnético, de 0,5 a 2 milímetros por segundo, "explicou Darine Haddad, autor principal dos resultados do NIST. Em um campo magnético, a bobina atua como um circuito elétrico que consiste em um capacitor (um elemento de circuito que armazena carga elétrica), um resistor (um elemento que dissipa energia elétrica) e um indutor (um elemento que armazena energia elétrica). Em uma bobina móvel, esses elementos semelhantes a circuitos geram uma voltagem elétrica que muda ao longo do tempo, disse Schlamminger. Os pesquisadores mediram essa mudança de tensão dependente do tempo para explicar esse efeito e reduziram a incerteza em seu valor.

Esta nova medição NIST se junta a um grupo de outras novas medições constantes do Planck de todo o mundo. Outra medição de equilíbrio de Kibble, do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, tem uma incerteza de apenas 9,1 partes por bilhão. Duas outras novas medições usam a técnica alternativa de Avogadro, que envolve contar o número de átomos em uma esfera de silício puro.

As novas medições têm uma incerteza tão baixa que excedem os requisitos internacionais para redefinir o quilograma em termos da constante de Planck.

"Era preciso haver três experimentos com incertezas abaixo de 50 partes por bilhão, e um abaixo de 20 partes por bilhão, "Schlamminger disse." Mas nós temos três abaixo de 20 partes por bilhão. "

Todos esses novos valores da constante de Planck não se sobrepõem, "mas, no geral, eles estão em um acordo incrivelmente bom, "Schlamminger disse, "especialmente considerando que os pesquisadores estão medindo isso com dois métodos completamente diferentes." Esses valores serão submetidos a um grupo conhecido como CODATA antes do prazo final de 1º de julho. O CODATA considerará todas essas medidas ao definir um novo valor para a constante de Planck. O quilograma está programado para redefinição em novembro de 2018, junto com outras unidades no SI.

Antes de começarem esses experimentos, Schlamminger e seu grupo foram almoçar em dezembro de 2013. Em um guardanapo de almoço, cada membro do grupo escreveu sua previsão do valor da constante de Planck que o grupo determinaria por meio de suas medições. Eles guardaram este guardanapo sob a balança de Kibble há quase quatro anos, e agora eles compararam as previsões. Shisong Li, um pesquisador convidado da Universidade Tsinghua na China, chegou mais perto. Sua previsão diferia em apenas cerca de 5 partes por bilhão do resultado medido. Não há nenhuma palavra ainda sobre como a equipe planeja comemorar o palpite do vencedor.