Le laboratoire Kastler Brossel impliqué dans la redéfinition du système international d’unités
La décision de redéfinir les unités du système international (SI) à partir de constantes fondamentales de la physique a été prise le 16 novembre 2018 à Versailles. Les chercheurs de l’équipe de métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux du Laboratoire Kastler Brossel, (LKB) ont contribué à cette redéfinition par des mesures de haute précision de constantes fondamentales en physique atomique et en participant au CODATA qui a déterminé les valeurs numériques des constantes fondamentales.
Composé d’experts de la physique de haute précision, le CODATA a eu la responsabilité de déterminer les valeurs numériques des quatre constantes fondamentales des nouvelles définitions. F. Nez (membre du LKB et chercheur CNRS), membre de ce comité depuis 1998, a participé à cette détermination, réalisée à partir de toutes les mesures à haute résolution de la physique [1].
Cette détermination a en particulier utilisé les résultats de deux expériences de physique atomique faites au LKB. La première sur la spectroscopie laser de l’atome d’hydrogène (François Biraben (CNRS), Lucile Julien (SU), François Nez) permet de déterminer la constante de Rydberg avec treize chiffres significatifs [2].
La seconde étudie des atomes de rubidium refroidis par laser (François Biraben, Pierre Cladé (CNRS/ENS), Saïda Guellati-Khélifa (CNAM)). La mesure de la vitesse de recul d’atomes de rubidium par la lumière permet de déterminer le rapport de la constante de Planck (h) à celle de la masse de l’atome de rubidium (mRb). A partir de h/mRb, la constante de structure fine a été déduite avec neuf chiffres significatifs [3]. Cette dernière expérience aura aussi un rôle prépondérant dans le nouveau SI [4][5].
Membres des équipes de Métrologie du LKB présents lors de la redéfinition du SI à Versailles, le 16 novembre 2018 (Droits réservés)
En savoir plus sur la redéfinition du système international d’unités
Fondées sur des constantes de la physique, les nouvelles définitions des unités sont plus stables (aucune variation des constantes fondamentales n’a été mise en évidence à ce jour) et plus universelles que les anciennes définitions. Par exemple celle du kilogramme qui était basée sur un unique cylindre de platine iridié conservé au pavillon de Breteuil à Sèvres par le BIPM [6].
Les unités restent les mêmes : la masse sera toujours exprimée en kg, le courant électrique en A, etc. En revanche plusieurs unités sont désormais redéfinies à partir de constantes fondamentales dont les valeurs numériques ont été fixées, comme cela a été le cas pour le mètre en 1983 reliant ainsi le mètre à l’unité de temps : la seconde (s).
Le mètre est défini en fixant la valeur numérique de la vitesse de la lumière (299 792 458 m/s). Le kilogramme est maintenant défini à partir de la constante de Planck (h=6,62607015´10-34 m2kgs-1), l’ampère à partir de la charge élémentaire (e=1.602176634´10-19As), la mole à partir de la constante d’Avogadro (NA=6,02214076´1023 mol-1, le kelvin à partir de la constante de Boltzmann (k=1,380649´10-23 m2kg s-1K-1). On dispose ainsi d’un système d’unités cohérent fondé sur la physique quantique et la relativité. Toutes les unités (hormis la mole) sont reliées à la seconde, qui est l’unité que l’on sait réaliser le plus précisément. Ceci est possible grâce aux recherches fondamentales sur le refroidissement des atomes par des faisceaux lasers, domaine dans lequel le LKB a été pionnier, et sur le développement des fontaines atomiques [7].
La mise en place de ce nouveau système d’unités est prévue le 20 mai 2019.
Notes
[1] The CODATA 2017 values of h, e, k and NA for the revision of the SI Metrologia 55 (2018) L13-L16.
[2] Thirty years of hydrogen spectroscopy Appl. Phys. B (2017) 123:50
[3] New Determination of the Fine Structure Constant and Test of the Quantum Electrodynamics Phys. Rev. Lett. 106, 080801 (2011)
[4] State of the art in the determination of the fine structure constant: test of Quantum Electrodynamics and determination of h/mu Annalen der Physik 525, 484-492 (2013).
[5] Precise determination of the ratio h/m u: a way to link microscopic mass to the new kilogram Metrologia. 53, A75 (2016)
[6] www.bipm.org.
[7] Cold atom clocks and applications, J.Phys. B:At.Mo.Opt.Phys.,38 (2005)S449-S468