När är två nominellt identiska kilogrammassor inte längre identiska? När var och en går till en annan plats och adsorberar varierande mängder fukt och föroreningar.

Utforskar detta problem, U.S.National Institute of Standards and Technology (NIST) och National Research Council (Kanada) samarbetar med mätlaboratorier i norra, Central- och Sydamerika för att bättre förstå hur massorna av precisionsvikter stiger och sjunker med tiden.

De hoppas att resultaten kommer att gynna internationell handel, där även små mätfel kan ha betydande effekter.

För att se till att ett kilo potatis i mataffären verkligen väger ett kilo, en butiks saldo måste kalibreras regelbundet. För denna typ av kalibrering, konsumenterna förlitar sig slutligen på massartefakter, metallbitar vars massa har mätts exakt. Forskare känner massan eftersom varje artefakt i sin tur har jämförts med andra artefakter i en obruten kedja av jämförelser som sträcker sig tillbaka till den grundläggande definitionen av själva massan.

Standardlaboratorier har en mängd massartefakter för jämförelser som dessa, som i slutändan används för att kalibrera allt från dagligvarubalanser till badrumsvågar. Då och då, dessa laboratorier kräver en extra eller ersättande massartefakt för sin samling.

Under de första månaderna av sitt liv, dock, massan av en ny artefakt kan förändras avsevärt när den nyskurna metallen adsorberar molekyler från sin omgivning.

Det råder viss oenighet om hur länge forskare måste vänta innan de kan vara säkra på att en ny artefaks massa är stabil. Så, NIST och NRC Canada utformade det massiva nya experimentet för att hjälpa till att lösa detta problem.

Experimentet omfattar 60 nominellt identiska kilogramvikter, beordrad att tillverkas av en enda stav av högkvalitativt rostfritt stål. Ungefär hälften av dessa 60 enheter har distribuerats till 29 länder inom Inter-American Metrology System (SIM), ett nätverk av nationella metrologiska institut (NMI) i norra, Syd- och Centralamerika, liksom önationer.

I ett år eller mer, SIM -representanterna för varje land kommer att mäta massan av deras artefakt med några månaders mellanrum och skicka data till NIST och NRC Canada. De kommer också att övervaka varje massmiljö, inklusive laboratoriets temperatur, barometertryck, luftfuktighet och flyktiga organiska föreningar (VOC), ett mått på luftkvalitet.

"Det hela kommer att bli en massiv stabilitetsstudie i en skala som ingen någonsin gjort tidigare, "sa NIST -fysikern Patrick Abbott." Eftersom massorna är hämtade från samma stålstav, du skulle förvänta dig att de kan ha samma långsiktiga svar. "Men förhållandena i de olika SIM -laboratorierna förväntas påverka hastigheten med massornas förändring, beroende på egenskaper som höjd och mängden salt i luften. Under de första månaderna av deras liv, massorna hölls i USA och Kanada. Nu, hälften av dem kommer att lagras i laboratorier nära ekvatorn och långt in på södra halvklotet.

"Så hur kommer massorna att förändras?" Sa Abbott. "När de väl kommer dit, de kommer inte nödvändigtvis att följa samma mönster som de gör i Nordamerika. "

Katthår på svarta byxor

En ny artefakt, nyskuren, är som en svamp:Den samlar molekyler från luften, och detta ökar sin massa något över tiden. De nya artefakterna som används i detta experiment är mindre än ett år gamla och, därför, i ett skede av relativt snabb viktökning i storleksordningen 7 mikrogram (miljondelar av ett gram) under sex månader. Det här kan låta för litet för att spela någon roll, men även små förändringar - särskilt om de är oförutsägbara - kan öka osäkerheten i laboratoriemätningar.

"Dessa vikter förändras, "Sa Abbott." De plockar upp saker från luften - ungefär som de svarta byxorna i ett hus med en vit katt. "

Vid något tillfälle, den processen brukar avbryta eller bromsa avsevärt. Frågan är, hur länge måste ett laboratorium vänta innan det kan vara säkert att dess massa har nått en stabil fas? Och hur förändras den perioden beroende på laboratoriets plats och genomsnittliga miljöförhållanden?

Tidigare studier har tenderat att vara småskaliga, utförs i ett enda laboratorium. Abbott och hans NIST- och NRC Kanada-kollegor undrade om en större insats skulle hjälpa till att lösa avvikelser i tidigare resultat.

"Just nu, många av de studier som har gjorts har varit mycket lokaliserade:ett labb, en person, under en uppsättning villkor, "Abbott sa." Men en annan person i ett annat labb kan göra samma studie och säga, 'under dessa omständigheter, vi fick något helt annat, fortsatte han. Så, vem har rätt?

"Förhoppningsvis kommer denna studie att kunna svara på frågan:Om du köper en massa för ditt labb, vad är en rimlig förväntan på när du faktiskt skulle kunna ta den i bruk, och har du förtroende för det? "sa Abbott.

Mer än massan ensam

Innan artefakterna distribueras, NIST och NRC Canada karakteriserade dem fullt ut genom att mäta deras densitet såväl som deras magnetiska känslighet, en kvalitet på hur materialet beter sig när det utsätts för ett magnetfält. Varje institut tog hälften av massorna:NRC Kanada tog de jämntalade, och NIST tog de udda numrerade.

För att mäta densiteten på deras hälft av vikterna, de kanadensiska forskarna använde en hydrostatisk teknik som innebar att varje artefakt successivt vägdes i vätskor med olika kända densiteter. Under tiden, NIST genomförde sina tester aerostatiskt, med hjälp av en tryckkammare som kan väga artefakterna i olika lufttätheter.

Även om alla massor skulle vara nominellt identiska, Abbott blev förvånad över att upptäcka att de första 15 vikterna han mätte hade en tydligt annorlunda densitet än den andra.

"Det visade sig att tillverkaren använde två olika stålstänger som hade lite olika densiteter, "Abbott sa, "och vi såg det i våra mätningar."

När de utbytte data för att se hur nära siffrorna ligger i linje, Abbott sa, "det var vackert, bara vackert. Vi använde två väldigt olika tekniker, och det var utmärkt överenskommelse för denna studie. "

Tidigare den här månaden, NIST och NRC Kanada delade ut 29 av de 60 massorna, en till var och en av de deltagande länderna i Syd- och Centralamerika. De återstående artefakterna kommer att bevaras och övervakas av NIST och NRC Canada tills studien är klar.

Fram till 19 maj 2019, världens definition av massa kommer att fortsätta att baseras på International Prototype Kilogram (IPK), en metallcylinder som smiddes i slutet av 1800 -talet och förvarades på ett laboratorium utanför Paris, Frankrike. Efter detta datum, den formella definitionen av ett kilo kommer att omdefinieras för att förlita sig på en grundläggande naturkonstant. Dock, kilogram artefakter förväntas fortfarande användas i många applikationer, inklusive spridning av den nya massstandarden.