Interação gravitacional da antimatéria - Gravitational interaction of antimatter
A interação gravitacional da antimatéria com a matéria ou antimatéria não foi conclusivamente observada pelos físicos. Embora o consenso entre os físicos seja que a gravidade atrairá matéria e antimatéria na mesma taxa em que a matéria atrai matéria, há um forte desejo de confirmar isso experimentalmente - embora a álgebra simples mostre que a presença de dois fótons com energias positivas seguindo elétron / pósitron aniquilações observadas com frequência na natureza são evidências extremamente fortes de que a antimatéria tem massa positiva e, portanto, agiria como matéria regular sob a gravidade.
A raridade da antimatéria e a tendência de se aniquilar quando colocada em contato com a matéria tornam seu estudo uma tarefa tecnicamente exigente. Além disso, a gravidade é muito mais fraca do que as outras forças fundamentais , por motivos ainda de interesse dos físicos, complicando os esforços para estudar a gravidade em sistemas pequenos o suficiente para serem criados em laboratório, incluindo sistemas de antimatéria.
A maioria dos métodos para a criação de antimatéria (especificamente anti-hidrogênio ) resulta em partículas de alta energia e átomos de alta energia cinética, que são inadequados para o estudo relacionado à gravidade . Nos últimos anos, primeiro ALPHA e depois ATRAP aprisionaram átomos de anti-hidrogênio no CERN ; em 2012, a ALPHA usou esses átomos para definir os primeiros limites soltos de queda livre na interação gravitacional da antimatéria com a matéria, medida dentro de ± 7500% da gravidade comum, não o suficiente para uma declaração científica clara sobre o sinal da gravidade agindo na antimatéria. Experimentos futuros precisam ser realizados com maior precisão, seja com feixes de anti-hidrogênio (AEGIS) ou com anti-hidrogênio aprisionado (ALPHA ou GBAR).
Além da incerteza sobre se a antimatéria é atraída gravitacionalmente ou repelida de outra matéria, também não se sabe se a magnitude da força gravitacional é a mesma. As dificuldades na criação de modelos de gravidade quântica levaram à ideia de que a antimatéria pode reagir com uma magnitude ligeiramente diferente.
Teorias da atração gravitacional
Quando a antimatéria foi descoberta em 1932, os físicos se perguntaram como ela reagiria à gravidade. A análise inicial focou em se a antimatéria deveria reagir da mesma forma que a matéria ou reagir de forma oposta. Surgiram vários argumentos teóricos que convenceram os físicos de que a antimatéria reagiria exatamente da mesma forma que a matéria normal. Eles inferiram que uma repulsão gravitacional entre a matéria e a antimatéria era implausível, pois violaria a invariância do CPT , a conservação de energia , resultaria em instabilidade no vácuo e resultaria na violação do CP . Também foi teorizado que seria inconsistente com os resultados do teste de Eötvös do princípio de equivalência fraca . Muitas dessas primeiras objeções teóricas foram posteriormente derrubadas.
O princípio de equivalência
O princípio da equivalência prevê que a aceleração gravitacional da antimatéria é a mesma da matéria comum. Uma repulsão gravitacional matéria-antimatéria é, portanto, excluída deste ponto de vista. Além disso, os fótons , que são suas próprias antipartículas na estrutura do Modelo Padrão, em um grande número de testes astronômicos ( redshift gravitacional e lentes gravitacionais , por exemplo) foram observados para interagir com o campo gravitacional da matéria comum exatamente como previsto por a teoria geral da relatividade . Esta é uma característica que deve ser explicada por qualquer teoria que preveja que a matéria e a antimatéria se repelem. Essa também é a previsão de Jean-Pierre Petit em artigo publicado em 2018: “Além disso, o modelo de Janus prevê que a antimatéria que será criada em laboratório no experimento Gbar se comportará como matéria comum no campo gravitacional terrestre. " A antigravitação descrita no modelo de Janus é produzida por antimatéria de massas 'negativas' (a antimatéria produzida em laboratórios ou por raios cósmicos tem apenas massas positivas) e é totalmente compatível com a relatividade geral e as aproximações newtonianas.
Teorema CPT
O teorema CPT implica que a diferença entre as propriedades de uma partícula de matéria e as de sua contraparte de antimatéria é completamente descrita por C-inversão. Uma vez que esta inversão C não afeta a massa gravitacional, o teorema CPT prevê que a massa gravitacional da antimatéria é a mesma da matéria comum. Uma gravidade repulsiva é então excluída, uma vez que isso implicaria uma diferença de sinal entre a massa gravitacional observável da matéria e a antimatéria.
Argumento de Morrison
Em 1958, Philip Morrison argumentou que a antigravidade violaria a conservação de energia . Se a matéria e a antimatéria respondessem de forma oposta a um campo gravitacional, não seria necessária nenhuma energia para alterar a altura de um par partícula-antipartícula. No entanto, ao se mover através de um potencial gravitacional, a frequência e a energia da luz são alteradas. Morrison argumentou que a energia seria criada pela produção de matéria e antimatéria em uma altura e, em seguida, aniquilando-a mais acima, uma vez que os fótons usados na produção teriam menos energia do que os fótons gerados pela aniquilação. No entanto, mais tarde foi descoberto que a antigravidade ainda não violaria a segunda lei da termodinâmica .
Argumento de Schiff
Mais tarde, em 1958, L. Schiff usou a teoria quântica de campos para argumentar que a antigravidade seria inconsistente com os resultados do experimento de Eötvös . No entanto, a técnica de renormalização usada na análise de Schiff é fortemente criticada e seu trabalho é visto como inconclusivo. Em 2014 o argumento foi refeito por Marcoen Cabbolet, que concluiu, no entanto, que se tratava apenas de demonstrar a incompatibilidade do Modelo Padrão e a repulsão gravitacional.
Argumento do bom
Em 1961, Myron L. Good argumentou que a antigravidade resultaria na observação de uma quantidade inaceitavelmente alta de violação de CP na regeneração anômala de kaons . Na época, a violação do CP ainda não havia sido observada. No entanto, o argumento de Good é criticado por ser expresso em termos de potenciais absolutos. Ao reformular o argumento em termos de potenciais relativos, Gabriel Chardin descobriu que isso resultou em uma quantidade de regeneração de kaon que está de acordo com a observação. Ele argumenta que a antigravidade é de fato uma explicação potencial para a violação de CP com base em seus modelos em mésons K. Seus resultados datam de 1992. Desde então, entretanto, estudos sobre mecanismos de violação de CP nos sistemas de mésons B invalidaram fundamentalmente essas explicações.
O argumento de Gerard 't Hooft
De acordo com Gerard 't Hooft , todo físico reconhece imediatamente o que há de errado com a ideia de repulsão gravitacional: se uma bola é lançada para o alto e cai para trás, então seu movimento é simétrico na reversão do tempo; e, portanto, a bola também cai na direção oposta do tempo. Visto que uma partícula de matéria na direção oposta do tempo é uma antipartícula, isso prova, de acordo com 't Hooft, que a antimatéria cai na terra exatamente como a matéria "normal". No entanto, Cabbolet respondeu que o argumento de 't Hooft é falso, e apenas prova que um anti-ball cai sobre um anti-terra - o que não é contestado.
Teorias de repulsão gravitacional
Desde que a gravidade repulsiva não tenha sido refutada experimentalmente, pode-se especular sobre os princípios físicos que provocariam tal repulsão. Até agora, três teorias radicalmente diferentes foram publicadas.
Teoria de Kowitt
A primeira teoria da gravidade repulsiva foi uma teoria quântica publicada por Mark Kowitt. Nesta teoria de Dirac modificada, Kowitt postulou que o pósitron não é um buraco no mar de elétrons com energia negativa como na teoria do buraco de Dirac usual , mas em vez disso é um buraco no mar de elétrons com energia negativa e massa gravitacional positiva: isso produz uma inversão C modificada, pela qual o pósitron tem energia positiva, mas massa gravitacional negativa. Gravidade repulsiva é, em seguida, descrito por adição termos adicionais ( m g Φ g e m g A g ) para a equação de onda. A ideia é que a função de onda de um pósitron se movendo no campo gravitacional de uma partícula de matéria evolui de tal forma que, com o tempo, torna-se mais provável encontrar o pósitron mais longe da partícula de matéria.
Teoria de Santilli e Villata
Teorias clássicas da gravidade repulsiva foram publicadas por Ruggero Santilli e Massimo Villata . Ambas as teorias são extensões da relatividade geral e são experimentalmente indistinguíveis. Permanece a ideia geral de que a gravidade é a deflexão de uma trajetória de partícula contínua devido à curvatura do espaço-tempo, mas as antipartículas agora "vivem" em um espaço-tempo invertido. A equação de movimento para antipartículas é então obtida a partir da equação de movimento de partículas ordinárias, aplicando os operadores C, P e T (Villata) ou aplicando mapas isoduais (Santilli), o que dá no mesmo: a equação de o movimento das antipartículas prediz então uma repulsão de matéria e antimatéria. Deve-se considerar que as trajetórias observadas das antipartículas são projeções em nosso espaço-tempo das verdadeiras trajetórias no espaço-tempo invertido. No entanto, tem sido argumentado em bases metodológicas e ontológicas que a área de aplicação da teoria de Villata não pode ser estendida para incluir o microcosmo. Essas objeções foram posteriormente rejeitadas por Villata.
Teoria de Cabbolet
Os primeiros princípios físicos não clássicos e não quânticos subjacentes a uma repulsão gravitacional matéria-antimatéria foram publicados por Marcoen Cabbolet. Ele apresenta a Teoria do Processo Elementar, que usa uma nova linguagem para a física, ou seja, um novo formalismo matemático e novos conceitos físicos, e que é incompatível com a mecânica quântica e a relatividade geral. A ideia central é que as partículas de massa de repouso diferente de zero, como elétrons, prótons, nêutrons e suas contrapartes de antimatéria, exibem movimento gradativo à medida que alternam entre um estado de repouso semelhante a uma partícula e um estado de movimento semelhante a uma onda. A gravitação então ocorre em um estado de onda, e a teoria permite, por exemplo, que os estados de onda de prótons e antiprótons interagem de maneira diferente com o campo gravitacional da Terra.
Análise
Outros autores usaram uma repulsão gravitacional de matéria-antimatéria para explicar as observações cosmológicas, mas essas publicações não abordam os princípios físicos da repulsão gravitacional.
Experimentos
Supernova 1987A
Uma fonte de evidência experimental em favor da gravidade normal foi a observação de neutrinos da Supernova 1987A . Em 1987, três detectores de neutrinos ao redor do mundo observaram simultaneamente uma cascata de neutrinos emanando de uma supernova na Grande Nuvem de Magalhães . Embora a supernova tenha acontecido a cerca de 164.000 anos-luz de distância, tanto os neutrinos quanto os antineutrinos parecem ter sido detectados virtualmente simultaneamente. Se ambos fossem realmente observados, qualquer diferença na interação gravitacional teria que ser muito pequena. No entanto, os detectores de neutrino não conseguem distinguir perfeitamente entre neutrinos e antineutrinos. Alguns físicos estimam conservadoramente que há menos de 10% de chance de que nenhum neutrino regular tenha sido observado. Outros estimam probabilidades ainda mais baixas, algumas tão baixas quanto 1%. Infelizmente, é improvável que essa precisão seja melhorada com a duplicação do experimento em breve. A última supernova conhecida a ocorrer tão perto antes da Supernova 1987A foi por volta de 1867.
Experimentos de Fairbank
O físico William Fairbank tentou um experimento de laboratório para medir diretamente a aceleração gravitacional dos elétrons , com a esperança de tentar o mesmo método para pósitrons. No entanto, sua relação carga-massa é tão grande que os efeitos eletromagnéticos sobrepujaram as tentativas de medir o impacto da gravidade sobre os elétrons. Fairbank nunca foi capaz de fazer o experimento com pósitrons.
É difícil observar diretamente as forças gravitacionais no nível das partículas. Para partículas carregadas, a força eletromagnética supera a interação gravitacional muito mais fraca. Mesmo as antipartículas da antimatéria neutra, como o anti-hidrogênio, devem ser mantidas separadas de suas contrapartes na matéria que constitui o equipamento experimental, que requer fortes campos eletromagnéticos. Esses campos, por exemplo, na forma de armadilhas atômicas, exercem forças sobre essas antipartículas que facilmente superam a força gravitacional da Terra e as massas de teste próximas. Uma vez que todos os métodos de produção de antipartículas resultam em partículas de antimatéria de alta energia, o resfriamento necessário para a observação dos efeitos gravitacionais em um ambiente de laboratório requer técnicas experimentais muito elaboradas e um controle muito cuidadoso dos campos de captura.
Experimentos de anti-hidrogênio neutro frio
Desde 2010, a produção de anti - hidrogênio frio tornou-se possível no Antiproton Decelerator do CERN . O anti-hidrogênio, que é eletricamente neutro, deveria permitir medir diretamente a atração gravitacional das partículas de antimatéria sobre a matéria terrestre. Em 2013, experimentos com átomos de anti-hidrogênio liberados da armadilha ALPHA estabeleceram limites diretos, ou seja, queda livre, grosseiros na gravidade da antimatéria. Esses limites eram grosseiros, com uma precisão relativa de ± 100%, portanto, longe de ser uma afirmação clara mesmo para o sinal da gravidade agindo sobre a antimatéria. Futuros experimentos no CERN com feixes de anti-hidrogênio, como AEgIS, ou com anti-hidrogênio aprisionado, como ALPHA e GBAR, precisam melhorar a sensibilidade para fazer uma declaração científica clara sobre a gravidade na antimatéria. Experimentos recentes com positrônio em LHe poderiam ser o primeiro passo nesta linha de pesquisa, neste caso ser capaz de estabilizar a antimatéria pode eventualmente levar a um caminho para que suas propriedades sejam estudadas, especificamente suas propriedades em um campo gravitacional. Foi sugerido que um material capaz de manter um par próton / antipróton da mesma maneira pode ser mais útil, pois os prótons são substancialmente mais massivos do que os elétrons e quaisquer efeitos gravitacionais seriam ampliados em várias ordens de magnitude até um ponto onde a detecção é trivial usando um acelerômetro resfriado ou outro sensor de deslocamento quântico. Além disso, um reator de fusão catalisado por antimatéria seria enormemente simplificado se o positrônio fosse produzido e armazenado em um local separado, embora isso também causasse problemas com o transporte, uma vez que os pósitrons são tipicamente produzidos "quentes" em altas velocidades relativas, por exemplo, por colisão de partículas com folha de ouro. O reator de antimatéria citado seria uma variante do fusor Farnsworth-Hirsch, onde o positrônio é acelerado para o núcleo por um poço de potencial e o elétron é desviado ao longo de uma linha de campo magnético.