Gravitační interakce antihmoty - Gravitational interaction of antimatter
Gravitační interakce antihmoty s hmoty nebo antihmotou nebylo přesvědčivě pozorovány fyziky. Zatímco mezi fyziky panuje shoda na tom, že gravitace bude přitahovat hmotu i antihmotu stejnou rychlostí, jako hmota přitahuje hmotu, existuje silná touha to experimentálně potvrdit - i když jednoduchá algebra ukazuje, že přítomnost dvou fotonů s pozitivní energií po elektronu/pozitronu zničení často pozorovaná v přírodě je extrémně silným důkazem, že antihmota má pozitivní hmotnost, a proto by působila jako běžná hmota v gravitaci.
Vzácnost a tendence antihmoty při zničení při kontaktu s hmotou činí ze studia technicky náročný úkol. Kromě toho je gravitace mnohem slabší než ostatní základní síly , a to z důvodů, které jsou stále zajímavé pro fyziky, což komplikuje úsilí o studium gravitace v systémech dostatečně malých na to, aby mohly být vytvořeny v laboratoři, včetně systémů s antihmotou.
Většina metod pro vytváření antihmoty (konkrétně antihydrogenu ) má za následek vysokoenergetické částice a atomy s vysokou kinetickou energií, které nejsou vhodné pro studium související s gravitací . V posledních letech nejprve ALPHA a poté ATRAP zachytily atomy antihydrogenu v CERN ; v roce 2012 ALPHA použila takové atomy k nastavení prvních volných pádů volných hranic na gravitační interakci antihmoty s hmotou, měřeno v rozmezí ± 7500% běžné gravitace, což není dostačující pro jasné vědecké prohlášení o gravitačním znamení působícím na antihmotu. Budoucí experimenty je třeba provádět s vyšší přesností, buď s paprsky antihydrogenu (AEGIS) nebo se zachyceným antihydrogenem (ALPHA nebo GBAR).
Kromě nejistoty ohledně toho, zda je antihmota gravitačně přitahována nebo odpuzována z jiné hmoty, není také známo, zda je velikost gravitační síly stejná. Obtíže při vytváření modelů kvantové gravitace vedly k myšlence, že antihmota může reagovat s mírně odlišnou velikostí.
Teorie gravitační přitažlivosti
Když byla v roce 1932 poprvé objevena antihmota, fyziky zajímalo, jak bude reagovat na gravitaci. Počáteční analýza se zaměřila na to, zda by antihmota měla reagovat stejně jako hmota nebo reagovat opačně. Objevilo se několik teoretických argumentů, které fyziky přesvědčily, že antihmota bude reagovat úplně stejně jako normální hmota. Došli k závěru, že gravitační odpuzování mezi hmotou a antihmotou je nepravděpodobné, protože by narušilo invariantnost CPT , zachování energie , mělo by za následek nestabilitu vakua a mělo by za následek porušení CP . Rovněž se předpokládalo, že by to bylo v rozporu s výsledky Eötvösova testu zásady slabé ekvivalence . Mnoho z těchto raných teoretických námitek bylo později zrušeno.
Princip ekvivalence
Princip ekvivalence předpovídá, že gravitační zrychlení antihmoty je stejné jako u běžné hmoty. Gravitační odpuzování hmoty a antihmoty je tedy z tohoto pohledu vyloučeno. Kromě toho byly u fotonů , které jsou jejich vlastními antičásticemi v rámci standardního modelu, ve velkém počtu astronomických testů (například gravitační rudý posuv a gravitační čočky ) pozorovány interakce s gravitačním polem běžné hmoty přesně podle předpovědi obecná teorie relativity . Toto je rys, který musí být vysvětlen jakoukoli teorií předpovídající odpuzování hmoty a antihmoty. To je také předpověď, kterou Jean-Pierre Petit učinil v článku publikovaném v roce 2018: „ Janusův model navíc předpovídá, že antihmota, která bude vytvořena v laboratoři v Gbarově experimentu, se bude chovat jako běžná hmota v gravitačním poli Země. " Antigravitace popsaná v Janusově modelu je produkována antihmotou „negativních“ hmot (antihmota produkovaná v laboratořích nebo kosmickými paprsky má pouze kladné hmotnosti) a je plně v souladu s obecnou relativitou a newtonovskými aproximacemi.
CPT věta
Věta CPT vyplývá, že rozdíl mezi vlastností částic a ty jeho antihmotového protějšek je zcela popsána C-inverze. Protože tato C-inverze neovlivňuje gravitační hmotnost, CPT věta předpovídá, že gravitační hmotnost antihmoty je stejná jako u běžné hmoty. Odporná gravitace je pak vyloučena, protože by to znamenalo rozdíl ve znaménku mezi pozorovatelnou gravitační hmotou hmoty a antihmotou.
Morrisonův argument
V roce 1958 Philip Morrison tvrdil, že antigravitace by porušila zachování energie . Pokud by hmota a antihmota reagovaly opačně na gravitační pole, pak by ke změně výšky dvojice částice-antičástice nebyla zapotřebí žádná energie. Při pohybu gravitačním potenciálem je však frekvence a energie světla posunuta. Morrison tvrdil, že energie bude vytvořena produkcí hmoty a antihmoty v jedné výšce a následným zničením výše, protože fotony použité při výrobě budou mít méně energie než fotony získané z anihilace. Později se však zjistilo, že antigravitace stále neporušuje druhý termodynamický zákon .
Schiffův argument
Později v roce 1958 L. Schiff použil kvantovou teorii pole k tvrzení, že antigravitace by byla v rozporu s výsledky Eötvösova experimentu . Technika renormalizace použitá v Schiffově analýze je však silně kritizována a jeho práce je považována za neprůkaznou. V roce 2014 tento argument přepracoval Marcoen Cabbolet, který však dospěl k závěru, že pouze dokazuje nekompatibilitu standardního modelu a gravitační odpuzování.
Dobrý argument
V roce 1961 Myron L. Good tvrdil, že antigravitace povede k pozorování nepřijatelně vysokého porušení CP při anomální regeneraci kaonů . V té době ještě nebylo pozorováno porušení CP. Goodův argument je však kritizován za to, že je vyjádřen z hlediska absolutního potenciálu. Přeformulováním argumentu z hlediska relativních potenciálů Gabriel Chardin zjistil, že to vedlo k množství regenerace kaonů, což souhlasí s pozorováním. Tvrdí, že antigravitace je ve skutečnosti potenciálním vysvětlením porušení CP na základě jeho modelů na K mesonech. Jeho výsledky sahají do roku 1992. Od té doby však studie mechanismů narušení CP v mezonových systémech B tato vysvětlení zásadně zneplatnila.
Argument Gerard 't Hooft
Podle Gerarda t Hoofta každý fyzik okamžitě rozpozná, co je špatného na myšlence gravitačního odpuzování: je-li míč vyhozen vysoko do vzduchu, aby spadl zpět, pak je jeho pohyb symetrický při obrácení času; a proto míč také spadne dolů v opačném časovém směru. Protože částice hmoty v opačném časovém směru je antičástice, dokazuje to podle 't Hooft, že antihmota padá na zem stejně jako "normální" hmota. Cabbolet však odpověděl, že argument 't Hooft je nepravdivý, a pouze dokazuje, že anti-ball padá na anti-zemi-což není sporné.
Teorie gravitačního odpuzování
Dokud nebyla odpudivá gravitace experimentálně vyvrácena, lze spekulovat o fyzikálních principech, které by takové odpuzování vyvolaly. Dosud byly publikovány tři radikálně odlišné teorie.
Kowittova teorie
První teorie odpudivé gravitace byla kvantová teorie publikovaná Markem Kowittem. V této modifikované Diracově teorii Kowitt předpokládal, že pozitron není dírou v moři elektronů s negativní energií jako v běžné teorii Diracových děr , ale místo toho je dírou v moři elektronů s negativní energií a pozitivní gravitační hmotnost: tím se získá modifikovaná C-inverze, pomocí níž má pozitron pozitivní energii, ale negativní gravitační hmotnost. Odporná gravitace je pak popsána přidáním dalších výrazů ( m g Φ g a m g A g ) do vlnové rovnice. Myšlenka je taková, že vlnová funkce pozitronu pohybujícího se v gravitačním poli částice hmoty se vyvíjí tak, že v čase je pravděpodobnější najít pozitron dále od částice hmoty.
Teorie Santilliho a Villaty
Ruggero Santilli a Massimo Villata publikovali klasické teorie odpudivé gravitace . Obě teorie jsou rozšířením obecné relativity a jsou experimentálně nerozeznatelné. Obecná myšlenka zůstává, že gravitace je výchylka spojité trajektorie částic v důsledku zakřivení časoprostoru, ale antičástice nyní „žijí“ v obráceném časoprostoru. Pohybová rovnice pro antičástice se pak získá z pohybové rovnice běžných částic aplikací operátorů C, P a T (Villata) nebo použitím izoduálních map (Santilli), což je totéž: rovnice pohyb pro antičástice pak předpovídá odpuzování hmoty a antihmoty. Je třeba vzít v úvahu, že pozorované trajektorie antičástic jsou projekcemi na náš časoprostor skutečných trajektorií v obráceném časoprostoru. Z metodologických a ontologických důvodů se však tvrdilo, že oblast použití Villatovy teorie nelze rozšířit o mikrokosmos. Tyto námitky následně Villata zamítl.
Cabboletova teorie
Marcoen Cabbolet publikoval první neklasické, nekvantové fyzikální principy, které jsou základem gravitačního odpuzování hmoty a antihmoty. Představuje teorii elementárních procesů, která využívá nový jazyk pro fyziku, tj. Nový matematický formalismus a nové fyzikální pojmy a která je nekompatibilní jak s kvantovou mechanikou, tak s obecnou relativitou. Základní myšlenkou je, že nenulové částice klidové hmoty, jako jsou elektrony, protony, neutrony a jejich protějšky antihmoty, vykazují postupný pohyb, když se střídají mezi klidovým stavem podobným částicím a pohybovým stavem podobným vlnám. Gravitace pak probíhá ve vlnovitém stavu a teorie například umožňuje, že vlnové stavy protonů a antiprotonů interagují odlišně s gravitačním polem Země.
Analýza
Další autoři použili gravitační odpuzování hmoty a antihmoty k vysvětlení kosmologických pozorování, ale tyto publikace se nezabývají fyzikálními principy gravitačního odpuzování.
Experimenty
Supernova 1987A
Jedním zdrojem experimentálních důkazů ve prospěch normální gravitace bylo pozorování neutrin z Supernovy 1987A . V roce 1987 tři detektory neutrin po celém světě současně pozorovaly kaskádu neutrin vycházejících ze supernovy ve Velkém Magellanově mračnu . Přestože se supernova odehrála asi 164 000 světelných let daleko, zdálo se, že neutrina i antineutrina byly detekovány prakticky současně. Pokud by byly skutečně pozorovány obojí, pak by jakýkoli rozdíl v gravitační interakci musel být velmi malý. Detektory neutrin však nedokáží dokonale rozlišit neutrina od antineutrina. Někteří fyzici konzervativně odhadují, že existuje méně než 10% šance, že nebyla vůbec pozorována žádná pravidelná neutrina. Jiní odhadují ještě nižší pravděpodobnost, některé až 1%. Tuto přesnost bohužel nelze v blízké době zlepšit duplikováním experimentu. Poslední známá supernova nastat v takové blízkosti se pohybují před Supernova 1987A byl kolem roku 1867.
Experimenty Fairbank
Fyzik William Fairbank se pokusil o laboratorní experiment k přímému měření gravitačního zrychlení elektronů s nadějí na pokus o stejnou metodu pro pozitrony. Jejich poměr náboje k hmotnosti je však tak velký, že elektromagnetické efekty přemohly pokusy změřit dopad gravitace na elektrony. Fairbank se nikdy nemohla pokusit o experiment s pozitrony.
Je obtížné přímo pozorovat gravitační síly na úrovni částic. U nabitých částic elektromagnetická síla přemáhá mnohem slabší gravitační interakci. I antičástice v neutrální antihmotě, jako je antihydrogen, musí být uchovávány odděleně od svých protějšků ve hmotě, která tvoří experimentální zařízení, které vyžaduje silná elektromagnetická pole. Tato pole, např. Ve formě atomových pastí, vyvíjejí na tyto antičástice síly, které snadno přemohou gravitační sílu Země a blízkých testovacích hmot. Protože všechny výrobní metody pro antičástice vedou k vysokoenergetickým částicím antihmoty, nezbytné chlazení pro pozorování gravitačních účinků v laboratorním prostředí vyžaduje velmi propracované experimentální techniky a velmi pečlivou kontrolu záchytných polí.
Studené neutrální antihydrogenové experimenty
Od roku 2010 je výroba studeného antihydrogenu možná v Antiproton Decelerátoru v CERNu . Elektricky neutrální vodík by měl umožňovat přímé měření gravitační přitažlivosti částic antihmoty k hmotě Země. V roce 2013 stanovily experimenty na atomech vodíku uvolněných z pasti ALPHA přímé, tj. Volný pád, hrubé limity gravitace antihmoty. Tyto limity byly hrubé, s relativní přesností ± 100%, tedy daleko od jasného prohlášení i pro znamení gravitace působící na antihmotu. Budoucí experimenty v CERNu s paprsky antihydrogenu, jako je AEgIS, nebo s zachyceným antihydrogenem, jako je ALPHA a GBAR, musí zlepšit citlivost, aby bylo možné učinit jasné vědecké prohlášení o gravitaci na antihmotě. Nedávné experimenty s pozitroniem v LHe by mohly být prvním krokem v této linii výzkumu, v tomto případě může schopnost stabilizovat antihmotu nakonec vést ke způsobu, jakým budou studovány jeho vlastnosti, konkrétně jeho vlastnosti v gravitačním poli. Bylo navrženo, že materiál schopný držet pár proton/antiproton stejným způsobem může být užitečnější, protože protony jsou podstatně hmotnější než elektrony a jakékoli gravitační efekty by byly zvětšeny o několik řádů až do bodu, kde je detekce triviální pomocí chlazeného akcelerometru nebo jiného senzoru kvantového výtlaku. Také fúzní reaktor katalyzovaný antihmotou by byl masivně zjednodušen, pokud by se pozitronium vyrábělo a skladovalo na jiném místě, i když by to také způsobilo problémy s transportem, protože pozitrony se obvykle vyrábějí „horké“ při vysokých relativních rychlostech, např. Srážkou částic se zlatou fólií. Citovaný antihmotový reaktor by byl variantou fuzoru Farnsworth-Hirsch, kde je pozitronium urychlováno do jádra potenciální jamkou a elektron odkloněn podél linie magnetického pole.