Oddziaływanie grawitacyjne antymaterii - Gravitational interaction of antimatter
Oddziaływanie grawitacyjne antymaterii z materią lub antymaterią nie zostało jednoznacznie zaobserwowane przez fizyków. Chociaż wśród fizyków panuje zgoda co do tego, że grawitacja będzie przyciągać zarówno materię, jak i antymaterię w tym samym tempie, w jakim materia przyciąga materię, istnieje silne pragnienie potwierdzenia tego eksperymentalnie – chociaż prosta algebra pokazuje, że obecność dwóch fotonów o dodatnich energiach podążających za elektronem/pozytonem często obserwowane anihilacje w przyrodzie są niezwykle mocnym dowodem na to, że antymateria ma dodatnią masę, a zatem zachowuje się jak zwykła materia pod wpływem grawitacji.
Rzadkość i skłonność antymaterii do anihilacji w kontakcie z materią sprawiają, że jej badanie jest technicznie wymagającym zadaniem. Co więcej, grawitacja jest znacznie słabsza niż inne siły fundamentalne , z powodów wciąż interesujących fizyków, co komplikuje badania nad grawitacją w układach wystarczająco małych, aby można je było wytworzyć w laboratorium, w tym w układach antymaterii.
Większość metod tworzenia antymaterii (w szczególności antywodoru ) daje w wyniku cząstki o wysokiej energii i atomy o wysokiej energii kinetycznej, które nie nadają się do badań związanych z grawitacją . W ostatnich latach, najpierw ALPHA, a potem ATRAP uwięziły atomy antywodoru w CERN ; w 2012 roku ALPHA użyła takich atomów do ustalenia pierwszych swobodnych granic swobodnego spadania grawitacyjnego oddziaływania antymaterii z materią, mierzonych z dokładnością do ±7500% zwykłej grawitacji, co nie wystarcza do uzyskania jednoznacznego naukowego stwierdzenia na temat znaku grawitacji działającego na antymaterię. Przyszłe eksperymenty muszą być przeprowadzane z większą precyzją, albo z wiązkami antywodoru (AEGIS), albo z uwięzionym antywodorem (ALPHA lub GBAR).
Oprócz niepewności, czy antymateria jest przyciągana lub odpychana grawitacyjnie od innej materii, nie wiadomo również, czy wielkość siły grawitacyjnej jest taka sama. Trudności w tworzeniu modeli grawitacji kwantowej doprowadziły do pomysłu, że antymateria może reagować z nieco inną siłą.
Teorie przyciągania grawitacyjnego
Kiedy antymateria została po raz pierwszy odkryta w 1932 roku, fizycy zastanawiali się, jak zareaguje na grawitację. Wstępna analiza koncentrowała się na tym, czy antymateria powinna reagować tak samo jak materia, czy też reagować przeciwnie. Pojawiło się kilka teoretycznych argumentów, które przekonały fizyków, że antymateria zareaguje dokładnie tak samo jak normalna materia. Wywnioskowali, że odpychanie grawitacyjne między materią a antymaterią było niewiarygodne, ponieważ naruszałoby niezmienność CPT , zachowanie energii , powodowało niestabilność próżni i powodowało naruszenie CP . Wysunięto również teorię, że byłoby to niezgodne z wynikami testu Eötvösa dla zasady słabej równoważności . Wiele z tych wczesnych zarzutów teoretycznych zostało później odrzuconych.
Zasada równoważności
Zasada równoważności przewiduje, że przyspieszenie grawitacyjne antymaterii jest takie samo jak w przypadku zwykłej materii. Odpychanie grawitacyjne materii i antymaterii jest zatem wykluczone z tego punktu widzenia. Co więcej, fotony , które są własnymi antycząstkami w ramach Modelu Standardowego, w wielu testach astronomicznych ( na przykład grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni i soczewkowanie grawitacyjne ) oddziałują z polem grawitacyjnym zwykłej materii dokładnie tak, jak przewidywał ogólna teoria względności . Jest to cecha, którą musi wyjaśnić każda teoria, która przewiduje odpychanie się materii i antymaterii. Takie też jest przewidywanie Jean-Pierre Petit w artykule opublikowanym w 2018 roku: „Ponadto model Janusa przewiduje, że antymateria, która powstanie w laboratorium w eksperymencie Gbar, będzie się zachowywać jak zwykła materia w polu grawitacyjnym Ziemi. " Antygrawitacja opisana w modelu Janusa jest wytwarzana przez antymaterię o masach „ujemnych” (antymateria produkowana w laboratoriach lub przez promieniowanie kosmiczne ma tylko masy dodatnie) i jest w pełni zgodna z ogólną teorią względności i przybliżeniami newtonowskimi.
Twierdzenie CPT
Twierdzenie CPT oznacza, że różnica pomiędzy właściwościami cząstek pyłu oraz swoich antymaterii odpowiednikiem jest w pełni opisane przez C-inwersji. Ponieważ ta C-inwersja nie wpływa na masę grawitacyjną, twierdzenie CPT przewiduje, że masa grawitacyjna antymaterii jest taka sama jak masy zwykłej materii. Odpychająca grawitacja jest wtedy wykluczona, ponieważ oznaczałoby to różnicę znaku między obserwowalną masą grawitacyjną materii i antymaterii.
Argument Morrisona
W 1958 Philip Morrison twierdził, że antygrawitacja narusza zasady zachowania energii . Gdyby materia i antymateria reagowały przeciwnie na pole grawitacyjne, zmiana wysokości pary cząstka-antycząstka nie wymagałaby energii. Jednak podczas poruszania się w potencjale grawitacyjnym częstotliwość i energia światła ulegają przesunięciu. Morrison twierdził, że energia będzie tworzona przez produkcję materii i antymaterii na jednej wysokości, a następnie anihilację jej wyżej, ponieważ fotony wykorzystywane do produkcji miałyby mniej energii niż fotony pochodzące z anihilacji. Jednak później okazało się, że antygrawitacja nadal nie narusza drugiej zasady termodynamiki .
Argument Schiffa
Później, w 1958, L. Schiff użył kwantowej teorii pola, aby argumentować, że antygrawitacja byłaby niespójna z wynikami eksperymentu Eötvösa . Jednak technika renormalizacji zastosowana w analizie Schiffa jest mocno krytykowana, a jego praca jest postrzegana jako niejednoznaczna. W 2014 r. argument został powtórzony przez Marcoen Cabbolet, który stwierdził jednak, że to jedynie pokazuje niezgodność Modelu Standardowego i odpychanie grawitacyjne.
Argument dobra
W 1961 Myron L. Good twierdził, że antygrawitacja doprowadziłaby do zaobserwowania niedopuszczalnie dużej ilości naruszeń CP w anomalnej regeneracji kaonów . W tym czasie nie zaobserwowano jeszcze naruszenia CP. Jednak argument Gooda jest krytykowany za wyrażanie go w kategoriach absolutnych potencjałów. Przeformułowując argument w kategoriach względnych potencjałów, Gabriel Chardin odkrył, że spowodowało to ilość regeneracji kaonu, która zgadza się z obserwacją. Twierdzi, że antygrawitacja jest w rzeczywistości potencjalnym wyjaśnieniem naruszenia CP w oparciu o jego modele na mezonach K. Jego wyniki sięgają roku 1992. Od tego czasu jednak badania mechanizmów naruszania CP w układach mezonów B zasadniczo unieważniły te wyjaśnienia.
Gerard 't Hooft's argument
Według Gerarda 't Hoofta , każdy fizyk natychmiast rozpoznaje, co jest nie tak z ideą odpychania grawitacyjnego: jeśli piłka zostanie wyrzucona wysoko w powietrze tak, że spadnie z powrotem, to jej ruch jest symetryczny przy odwróceniu czasu; a zatem piłka spada również w przeciwną stronę czasu. Ponieważ cząstka materii w przeciwnym kierunku czasu jest antycząstką, dowodzi to według 't Hoofta, że antymateria opada na ziemię tak samo jak „normalna” materia. Jednak Cabbolet odpowiedział, że „argument Hoofta jest fałszywy i tylko dowodzi, że antypiłka upada na antyziemię – co nie jest kwestionowane.
Teorie odpychania grawitacyjnego
Dopóki odpychająca grawitacja nie zostanie obalona eksperymentalnie, można spekulować na temat zasad fizycznych, które mogłyby spowodować takie odpychanie. Dotychczas opublikowano trzy radykalnie różne teorie.
Teoria Kowitta
Pierwszą teorią odpychającej grawitacji była teoria kwantowa opublikowana przez Marka Kowitta. W tej zmodyfikowanej teorii Diraca Kowitt postulował, że pozyton nie jest dziurą w morzu elektronów o ujemnej energii, jak w zwykłej teorii dziur Diraca , ale zamiast tego jest dziurą w morzu elektronów o ujemnej energii i-dodatnia-masa-grawitacyjna: daje to zmodyfikowaną inwersję C, dzięki której pozyton ma dodatnią energię, ale ujemną masę grawitacyjną. Odpychające ciężkości opisane zostało przez dodanie dodatkowych warunków ( m g Φ g i m g g ) do wzoru falowego. Pomysł polega na tym, że funkcja falowa pozytonu poruszającego się w polu grawitacyjnym cząstki materii ewoluuje w taki sposób, że z czasem znalezienie pozytonu w większej odległości od cząstki materii staje się bardziej prawdopodobne.
Teoria Santilli i Villaty
Klasyczne teorie odpychającej grawitacji opublikowali Ruggero Santilli i Massimo Villata . Obie teorie są rozszerzeniem ogólnej teorii względności i są eksperymentalnie nie do odróżnienia. Ogólna idea pozostaje taka, że grawitacja jest odchyleniem ciągłej trajektorii cząstki z powodu krzywizny czasoprzestrzeni, ale antycząstki „żyją” teraz w odwróconej czasoprzestrzeni. Równanie ruchu dla antycząstek otrzymuje się następnie z równania ruchu zwykłych cząstek, stosując operatory C, P i T (Villata) lub stosując mapy izodualne (Santilli), co sprowadza się do tego samego: równania ruch antycząstek przewiduje następnie odpychanie materii i antymaterii. Należy przyjąć, że obserwowane trajektorie antycząstek są projekcjami na naszą czasoprzestrzeń prawdziwych trajektorii w odwróconej czasoprzestrzeni. Jednak na gruncie metodologicznym i ontologicznym argumentowano, że nie można rozszerzyć obszaru zastosowań teorii Villaty na mikrokosmos. Zastrzeżenia te zostały następnie przez Villatę oddalone.
Teoria Cabboleta
Marcoen Cabbolet opublikował pierwsze nieklasyczne, niekwantowe zasady fizyki leżące u podstaw odpychania grawitacyjnego materii i antymaterii. Wprowadza elementarną teorię procesów, która wykorzystuje nowy język fizyki, tj. nowy formalizm matematyczny i nowe koncepcje fizyczne, i która jest niekompatybilna zarówno z mechaniką kwantową, jak i ogólną teorią względności. Główną ideą jest to, że cząstki o niezerowej masie spoczynkowej, takie jak elektrony, protony, neutrony i ich odpowiedniki z antymaterii, wykazują ruch krokowy, gdy przechodzą między cząsteczkowym stanem spoczynku a falowym stanem ruchu. Grawitacja zachodzi wtedy w stanie falowym, a teoria dopuszcza na przykład, że stany falowe protonów i antyprotonów oddziałują inaczej z polem grawitacyjnym Ziemi.
Analiza
Inni autorzy wykorzystywali odpychanie grawitacyjne materii i antymaterii, aby wyjaśnić obserwacje kosmologiczne, ale te publikacje nie odnoszą się do fizycznych zasad odpychania grawitacyjnego.
Eksperymenty
Supernowa 1987A
Jednym ze źródeł eksperymentalnych dowodów na korzyść normalnej grawitacji była obserwacja neutrin z Supernowej 1987A . W 1987 roku trzy detektory neutrin na całym świecie jednocześnie zaobserwowały kaskadę neutrin pochodzących z supernowej w Wielkim Obłoku Magellana . Chociaż supernowa pojawiła się około 164 000 lat świetlnych od nas, wydaje się, że zarówno neutrina, jak i antyneutrina zostały wykryte praktycznie jednocześnie. Gdyby rzeczywiście zaobserwować oba, to jakakolwiek różnica w oddziaływaniu grawitacyjnym musiałaby być bardzo mała. Jednak detektory neutrin nie potrafią doskonale odróżnić neutrin od antyneutrin. Niektórzy fizycy ostrożnie szacują, że prawdopodobieństwo, że w ogóle nie zaobserwowano regularnych neutrin, wynosi mniej niż 10%. Inni szacują nawet mniejsze prawdopodobieństwo, niektórzy nawet na 1%. Niestety, ta dokładność raczej nie ulegnie poprawie poprzez powielenie eksperymentu w najbliższym czasie. Ostatnia znana supernowa występować w takiej bliskiej odległości przed Supernova 1987A wynosiła około 1867 roku.
Eksperymenty Fairbanka
Fizyk William Fairbank podjął próbę przeprowadzenia eksperymentu laboratoryjnego, aby bezpośrednio zmierzyć przyspieszenie grawitacyjne elektronów , mając nadzieję na wypróbowanie tej samej metody dla pozytonów. Jednak ich stosunek ładunku do masy jest tak duży, że efekty elektromagnetyczne przytłaczają próby zmierzenia wpływu grawitacji na elektrony. Fairbank nigdy nie był w stanie przeprowadzić eksperymentu z pozytonami.
Bezpośrednie obserwacje sił grawitacyjnych na poziomie cząstek są trudne. W przypadku cząstek naładowanych siła elektromagnetyczna przewyższa znacznie słabsze oddziaływanie grawitacyjne. Nawet antycząstki w obojętnej antymaterii, takie jak antywodór, muszą być trzymane oddzielnie od ich odpowiedników w materii tworzącej sprzęt doświadczalny, który wymaga silnych pól elektromagnetycznych. Pola te, np. w postaci pułapek atomowych, wywierają na owe antycząstki siły, które z łatwością przewyższają siłę grawitacyjną Ziemi i pobliskich mas testowych. Ponieważ wszystkie metody produkcji antycząstek dają cząstki antymaterii o wysokiej energii, niezbędne chłodzenie do obserwacji efektów grawitacyjnych w środowisku laboratoryjnym wymaga bardzo skomplikowanych technik eksperymentalnych i bardzo dokładnej kontroli pól pułapkujących.
Eksperymenty z neutralnym neutralnym wodorem na zimno
Od 2010 roku produkcja zimnego antywodoru stała się możliwa w Deceleratorze Antyprotonów w CERN . Antywodór, który jest elektrycznie obojętny, powinien umożliwiać bezpośredni pomiar przyciągania grawitacyjnego cząstek antymaterii do materii Ziemi. W 2013 roku eksperymenty na atomach antywodoru uwalnianych z pułapki ALPHA ustaliły bezpośrednie, tj. opadu swobodnego, zgrubne granice grawitacji antymaterii. Granice te były zgrubne, ze względną precyzją ±100%, a więc dalekie od jednoznacznego stwierdzenia nawet dla znaku grawitacji działającej na antymaterię. Przyszłe eksperymenty w CERN z wiązkami antywodoru, takimi jak AEgIS, lub z uwięzionym antywodorem, takimi jak ALPHA i GBAR, muszą poprawić czułość, aby dać jasne, naukowe stwierdzenie na temat grawitacji na antymaterii. Ostatnie eksperymenty z pozytronem w LHe mogą być pierwszym krokiem w tej linii badań, w tym przypadku zdolność do stabilizacji antymaterii może ostatecznie doprowadzić do sposobu na zbadanie jej właściwości, a konkretnie jej właściwości w polu grawitacyjnym. Sugerowano, że materiał zdolny do utrzymywania pary proton/antyproton w ten sam sposób może być bardziej użyteczny, ponieważ protony są znacznie bardziej masywne niż elektrony, a wszelkie efekty grawitacyjne byłyby powiększone o kilka rzędów wielkości do punktu, w którym wykrywanie jest trywialne za pomocą chłodzonego akcelerometru lub innego czujnika przemieszczeń kwantowych. Również reaktor termojądrowy katalizowany antymaterią zostałby znacznie uproszczony, gdyby pozyton był produkowany i przechowywany w oddzielnym miejscu, chociaż powodowałoby to również problemy z transportem, ponieważ pozytrony są zwykle produkowane „na gorąco” z dużymi prędkościami względnymi, np. przez zderzenie cząstek ze złotą folią. Cytowany reaktor na antymaterię byłby wariantem fusora Farnswortha-Hirscha, w którym pozyton jest przyspieszany do jądra przez studnię potencjału, a elektrony są kierowane wzdłuż linii pola magnetycznego.