キログラムの定義変更に関する代替アプローチ

科学界は、 2018年11月にSI単位系の改訂を決定する前に、キログラムの定義変更に関するいくつかの方法を検討した。それぞれの方法には長所と短所があった。

再定義以前は、キログラムおよびキログラムに基づく他のいくつかのSI単位は、国際キログラム原器（IPK）と呼ばれる人工金属物体によって定義されていました。^{[ 1 ]}キログラムの古い定義を置き換えるべきであるという点で広く合意がありました。

国際度量衡委員会（CIPM）は2018年11月にSI基本単位の再定義を承認し、キログラムをプランク定数の固定数値として定義した。${\textstyle h}$「これはまさに6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴  J⋅Hz ^{−1 ‍ [2 ]} 。このアプローチは、キログラムを秒とメートルで定義するものであり、2019 年 5 月 20 日に発効しました。^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

1960年、それまで同様に2つの目盛りが付いた単一の白金イリジウム棒を基準として定義されていたメートルは、不変の物理定数（クリプトンから放出される特定の光の波長^{[ 6 ]}、後に光速）に基づいて再定義され、文書化された仕様に従うことで、異なる研究所で独立して標準を再現できるようになりました。

2005年に開催された国際度量衡委員会（CIPM）の第94回会合では、キログラムについても同様の措置を取ることが推奨された。^{[ 7 ]}

2010 年 10 月、CIPM は、キログラムをプランク定数h (エネルギーと時間の次元を持つ)と他の物理定数で定義するという「意図を留意する」決議を、国際度量衡総会 (CGPM) に提出することを決議した。 ^{[ 8 ] [ 9 ]}この決議は、2011 年 10 月の第 24 回 CGPM 会議で採択され^{[ 10 ]}、2014 年の第 25 回会議でさらに議論された。^{[ 11 ] [ 12 ]}委員会は、大きな進歩があったことを認識していたものの、改訂された定義を採用するにはデータがまだ十分に確固たるものではないと結論付け、2018 年に予定されている第 26 回会議での採用を可能にするために作業を継続する必要があるとした。^{[ 11 ]}このような定義は、十分な精度、正確さ、安定性を備えている限り、プランク定数でキログラムを定義できる装置であれば、理論的には何でも使用できることになる。キブルバランスは、これを実現する一つの方法です。

このプロジェクトの一環として、長年にわたり、非常に多様な技術とアプローチが検討・調査されました。これらのアプローチの中には、測定技術と材料特性が最終的に物理定数に基づいているか、または物理定数にトレーサブルであるような装置と手順に基づいて、キログラム質量の試作品をオンデマンドで再現可能に製造できるものもありました。また、手作業で調整したキログラムの試験質量の加速度または重量を測定し、物理定数へのトレーサビリティを可能にする特殊な部品を介してその値を電気的な値で表す装置に基づくものもありました。このようなアプローチは、重量測定値を質量に変換することに依存するため、実験室で重力の強さを正確に測定する必要があります。いずれのアプローチも、1つ以上の自然定数を特定の値に正確に固定するものでした。

キブル天秤（2016年以前は「ワット天秤」として知られていた）は、基本的に1皿の計量器で、地球の重力によって引っ張られる1キログラムの試験質量の重量に抵抗するために必要な電力を測定する。これはアンペア天秤の変形であり、幾何学的影響を排除するための追加の校正ステップを備えている。キブル天秤の電位はジョセフソン電圧標準によって規定され、これにより電圧を極めて高い精度と安定性で自然界の不変定数に結び付けることができる。その回路抵抗は量子ホール効果抵抗標準に対して校正される。

キブル天秤では、重力計を用いて実験室で局所的な重力加速度gを極めて精密に測定する必要があります。例えば、重力計の中心の高度がキブル天秤内の近くの試験質量の高度と異なる場合、NISTは地球の重力勾配を補正します。309 μGal /m は、1キログラムの試験質量の重量に約316  μg/m。

2007年4月、NISTによるキブル天秤の実装により、合成相対標準不確かさ（CRSU）が36μgであることが実証されました 。^{[ 13 ] [注1 ]}英国国立物理研究所の キブル天秤は、2007年にCRSUが70.3μgであることを実証しました。^{[ 14 ]}そのキブル天秤は2009年に分解され、カナダ国立計測標準研究所（国立研究評議会の一部）に送られ、そこでこの装置を用いた研究開発が継続されました。

キブル天秤のような電子的な実現の利点は、キログラムの定義と普及が、非常に慎重に取り扱い保管しなければならないキログラム原器の安定性に依存しなくなったことである。これにより、物理学者はこれらの原器の安定性に関する仮定に頼る必要がなくなる。代わりに、手作業で調整された近似質量標準を、1キログラムにオフセット値を加えた値として単純に計量し、記録することができる。キブル天秤では、キログラムは電気と重力の観点から定義され、これらはすべて自然の不変量に​​遡ることができるが、キログラムは自然の3つの基本定数に直接遡ることができる方法で定義されている。プランク定数は、キログラムを秒とメートルの観点から定義する。プランク定数を固定することで、キログラムの定義は、秒とメートルの定義のみに依存することになる。秒の定義は、単一の定義済み物理定数、すなわちセシウム133原子の基底状態超微細構造分裂周波数Δν(133Cs)hfsに依存します。メートルは^秒と_、さらに定義済み物理定数である光速cに依存します。このようにキログラムが再定義されると、国際キログラム（IPK）などの物理的対象物は定義の一部ではなくなり、代わりに伝達標準となります。

キブル天秤のような天秤は、質量標準に特に望ましい特性を持つ材料を選択する際の柔軟性も高めます。例えば、Pt - 10Irを引き続き使用することで、新たに製造される質量標準の比重を既存の国家一次標準およびチェック標準（約21.55  g/ml）と同じにすることができます。これにより、空気中で質量比較を行う際の相対的な不確かさを低減できます。あるいは、より安定性の高い質量標準を製造することを目的として、全く異なる材料や構造を検討することも可能です。例えば、白金が水素を吸収する性質（VOCや炭化水素系洗浄溶剤の触媒作用による）や大気中の水銀が不安定性の原因となることが判明した場合、オスミウム-イリジウム合金を検討することができます。また、窒化物などの蒸着保護セラミックコーティングが、これらの新しい合金を化学的に隔離するのに適しているかどうかを検討することもできます。

キブル天秤の課題は、不確かさを低減することだけでなく、キログラムを真に実用的なものにすることにもあります。キブル天秤とそのサポート機器のほぼすべての側面は、原子時計のような装置とは異なり、非常に精密で正確な最先端の技術を必要とするため、現在、その運用に資金を提供する国はほとんどありません。たとえば、NIST のキブル天秤は 2007 年に 4 つの抵抗標準を使用しており、それぞれがメリーランド州ゲイザースバーグにあるNIST 本部施設の別の場所で校正された後、2 ～ 6 週間ごとにキブル天秤に通されました。校正後に抵抗標準を廊下を移動してキブル天秤に移動するだけで、その値が 10 ppb (10 μg に相当) 以上変化することがわかりました。 ^{[ 15 ]}現在の技術では、半年に一度の校正の間であっても、キブル天秤を安定して動作させるには不十分です。新しい定義が発効した時点では、世界で最初に運用されるキブルバランスはせいぜいごく少数にとどまる可能性が高い。  

キログラムを再定義するための、キブル天秤とは根本的に異なるいくつかの代替アプローチが様々な程度で検討され、一部は放棄された。特にアボガドロ計画は、キブル天秤法と整合性があり、かつ独立したプランク定数の正確な測定値を提供したため、2018年の再定義決定にとって重要であった。^{[ 16 ]}

2019年5月20日以降、キログラム（kg）はプランク定数の数値を固定することによって定義されています。${\displaystyle h}$=6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴  J⋅Hz ^{−1 ‍ [2 ]}、実現は電気機械実験 (キブル天秤) およびシリコン球の X 線結晶密度 (XRCD) 測定に基づいています。^{[ 17 ] [ 18 ]}以下のアプローチは、再定義の参考となった歴史的な提案、および/または2019 年以降に使用された実現方法として保持されています。

アボガドロプロジェクト（XRCDによる実現）

国際アボガドロ調整委員会（IAC）は、高濃縮の^²⁸ Si単結晶球を作製し、その体積、格子間隔、同位体組成を測定して、X線結晶密度（XRCD）法によりアボガドロ定数を決定した。^{[ 19 ] [ 20 ]}これらの結果は、キブルバランス測定と合わせて、2019年にSIを再定義するために必要な一貫性を提供し、${\displaystyle h}$2019年以降も、XRCDはキログラムを実現するための（つまり、固定定数にトレーサブルな質量値を生成するための）受け入れられた方法の1つであり続けている。^{[ 21 ]}