Combien pèse un kilo ?

La balance du watt NIST-4 du National Institute of Standards and Technology a mesuré la constante de Planck avec une précision de 13 parties par milliard, précision suffisante pour participer à la redéfinition du kilogramme. (Image : J. L. Lee/NIST)

Le Kilogramme ne pèse plus un kilogramme. Cette nouvelle déroutante a été annoncée lors d’un séminaire au CERN, jeudi 26 octobre, par Klaus von Klitzing, qui a reçu en 1985 le prix Nobel de physique pour la découverte de l’effet Hall quantique. « Nous allons être témoins d’un changement révolutionnaire dans la manière de définir le kilogramme », a-t-il indiqué. 

Le kilogramme, unité de masse, fait partie avec six autres unités (le mètre, la seconde, l’ampère, le kelvin, la mole et la candela) du Système international d’unités (SI), qui sert de référence pour exprimer par des nombres tout objet ou phénomène naturel mesurable. La définition actuelle du kilogramme se base sur un petit cylindre en alliage de platine et d’iridium, surnommé le « grand K » et ayant une masse d'exactement un kilogramme. Ce cylindre a été fabriqué en 1889 et il est depuis gardé en sûreté, protégé par trois cloches de verre dans un coffre-fort de haute sécurité dans la banlieue de Paris. Mais il y a un problème : l’étalon du kilogramme perd du poids. Il s’agirait, d’après la dernière vérification, d’environ 50 microgrammes. Ces 50 microgrammes suffisent à ce que l’étalon ne soit plus, comme c’était initialement le cas, identique à ses copies, conservées dans des laboratoires du monde entier. 

Pour résoudre ce problème de poids, les scientifiques ont cherché une nouvelle manière de définir le kilogramme.

Lors de la Conférence générale quadriennale des poids et mesures de 2014, la communauté scientifique de la métrologie a décidé officiellement de redéfinir le kilogramme en fonction de la constante de Planck (h), quantité issue de la mécanique quantique qui met en relation l’énergie d’une particule avec sa fréquence, mais aussi, grâce à l’équation d’Einstein E = mc2, avec sa masse. La constante de Planck est l’un des nombres fondamentaux de notre Univers, une quantité dont la valeur reste universellement fixe dans la nature, comme la vitesse de la lumière ou la charge électrique d’un proton.

Une valeur fixe exacte sera déterminée pour la constante de Planck, sur la base des meilleures mesures obtenues dans le monde entier. Le kilogramme sera ainsi redéfini grâce à la relation existant entre la constante de Planck et la masse. 

Le K 20, réplique de l’étalon du kilogramme et prototype national, conservé par le gouvernement des États-Unis au NIST à Bethesda, Maryland. (Image: NIST) 

« Il n’y a pas lieu de s’inquiéter, assure Klaus von Klitzing. Le kilogramme sera redéfini d’une manière qui ne changera (presque) rien dans notre quotidien. Sa valeur ne gagnera pas en précision ; elle deviendra néanmoins plus stable et plus universelle. »

Le processus de redéfinition n’est pourtant pas aussi simple qu’il n’y paraît. Le Bureau international des poids et mesures, organe responsable de la gestion des accords internationaux sur les mesures, a imposé des exigences strictes pour la procédure à suivre : trois expériences indépendantes mesurant la constante de Planck devront se mettre d’accord sur la valeur qui en sera dérivée pour le kilogramme, avec une marge d’incertitude inférieure à 50 parties par milliard (ppb), et à 20 ppb pour l’une d’entre elles au moins. 50 parties par milliard équivaut, dans le cas présent, à environ 50 microgrammes, soit à peu près le poids d’un cil.

Deux types d’expériences se sont révélées capables de lier la constante de Planck à la masse avec une précision aussi exceptionnelle. Une des méthodes, pratiquée par une équipe internationale connue sous le nom Avogadro Project, consiste à compter les atomes contenus dans une sphère de silicone 28 ayant exactement le même poids que l’étalon du kilogramme. La deuxième méthode requiert une balance d’un type particulier, appelée balance du watt. Elle fonctionne en équilibrant des forces électromagnétiques avec une masse, la masse utilisée pour ce test étant calibrée pour correspondre exactement à l’étalon du kilogramme.

C’est là qu’entre en jeu la découverte majeure faite par Klaus von Klitzing en 1980, qui lui a valu le prix Nobel de physique. Pour obtenir des mesures de très haute précision du courant et de la tension des forces électromagnétiques se trouvant dans la balance du watt, les scientifiques utilisent deux constantes universelles. La première est la constante de von Klitzing, qui est connue avec une extrême précision et qui peut à son tour être définie en fonction de la constante de Planck et de la charge de l’électron. La constante de von Klitzing décrit la manière dont la résistance est quantifiée dans le cadre d’un phénomène de mécanique quantique appelé « effet Hall quantique », observé lorsque des électrons sont confinés dans une couche de métal extrêmement fine soumise à des températures basses et à de forts champs magnétiques.

« Il s’agit vraiment d’une révolution majeure, conclut Klaus von Klitzing. En fait, on a même dit qu’il s’agissait de la plus grande révolution, dans la métrologie, depuis la Révolution française, quand le premier système international d’unités avait été introduit par l’Académie française des sciences. »

Le CERN participe à cette révolution : le Laboratoire a pris part à un projet de métrologie, initié par l’institut suisse de métrologie METAS, visant à construire une balance du watt qui jouera un rôle dans l’harmonisation de la nouvelle définition du kilogramme en fournissant des mesures extrêmement précises de la constante de Planck. Le CERN a fourni un élément essentiel de la balance du watt : le circuit magnétique nécessaire pour créer les forces électromagnétiques qui seront équilibrées par la masse de test. L’aimant doit être extrêmement stable pendant la mesure, et fournir un champ magnétique très homogène.