Interacción gravitacional de la antimateria - Gravitational interaction of antimatter
Los físicos no han observado de manera concluyente la interacción gravitacional de la antimateria con la materia o la antimateria . Si bien el consenso entre los físicos es que la gravedad atraerá tanto la materia como la antimateria al mismo ritmo que la materia atrae a la materia, existe un fuerte deseo de confirmar esto experimentalmente, aunque el álgebra simple muestra que la presencia de dos fotones con energías positivas después de electrón / positrón Las aniquilaciones observadas con frecuencia en la naturaleza son una evidencia extremadamente fuerte de que la antimateria tiene masa positiva y, por lo tanto, actuaría como materia regular bajo la gravedad.
La rareza de la antimateria y su tendencia a aniquilarse cuando se pone en contacto con la materia hace que su estudio sea una tarea técnicamente exigente. Además, la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas fundamentales , por razones que aún son de interés para los físicos, lo que complica los esfuerzos por estudiar la gravedad en sistemas lo suficientemente pequeños como para ser creados de manera factible en el laboratorio, incluidos los sistemas de antimateria.
La mayoría de los métodos para la creación de antimateria (específicamente antihidrógeno ) dan como resultado partículas de alta energía y átomos de alta energía cinética, que no son adecuados para el estudio relacionado con la gravedad . En los últimos años, primero ALPHA y luego ATRAP han atrapado átomos de antihidrógeno en el CERN ; En 2012, ALPHA usó tales átomos para establecer los primeros límites sueltos de caída libre en la interacción gravitacional de la antimateria con la materia, medidos dentro de ± 7500% de la gravedad ordinaria, lo que no es suficiente para una declaración científica clara sobre el signo de la gravedad que actúa sobre la antimateria. Los experimentos futuros deben realizarse con mayor precisión, ya sea con haces de antihidrógeno (AEGIS) o con antihidrógeno atrapado (ALPHA o GBAR).
Además de la incertidumbre sobre si la antimateria es atraída o rechazada gravitacionalmente de otra materia, también se desconoce si la magnitud de la fuerza gravitacional es la misma. Las dificultades para crear modelos de gravedad cuántica han llevado a la idea de que la antimateria puede reaccionar con una magnitud ligeramente diferente.
Teorías de la atracción gravitacional
Cuando se descubrió la antimateria en 1932, los físicos se preguntaron cómo reaccionaría a la gravedad. El análisis inicial se centró en si la antimateria debería reaccionar igual que la materia o reaccionar de forma opuesta. Surgieron varios argumentos teóricos que convencieron a los físicos de que la antimateria reaccionaría exactamente igual que la materia normal. Infirieron que una repulsión gravitacional entre la materia y la antimateria no era plausible, ya que violaría la invariancia CPT , la conservación de la energía , provocaría inestabilidad en el vacío y provocaría una violación de CP . También se teorizó que sería incompatible con los resultados de la prueba de Eötvös del principio de equivalencia débil . Muchas de estas primeras objeciones teóricas fueron luego anuladas.
El principio de equivalencia
El principio de equivalencia predice que la aceleración gravitacional de la antimateria es la misma que la de la materia ordinaria. La repulsión gravitacional materia-antimateria queda así excluida de este punto de vista. Además, los fotones , que son sus propias antipartículas en el marco del Modelo Estándar, han sido observados en un gran número de pruebas astronómicas ( desplazamiento al rojo gravitacional y lentes gravitacionales , por ejemplo) para interactuar con el campo gravitacional de la materia ordinaria exactamente como lo predice la teoría general de la relatividad . Esta es una característica que debe ser explicada por cualquier teoría que prediga que la materia y la antimateria se repelen. Esta es también la predicción que hizo Jean-Pierre Petit en un artículo publicado en 2018: “Además, el modelo de Janus predice que la antimateria que se creará en el laboratorio en el experimento Gbar se comportará como materia ordinaria en el campo gravitacional de la Tierra. " La antigravitación descrita en el modelo de Janus es producida por antimateria de masas "negativas" (la antimateria producida en laboratorios o por rayos cósmicos tiene sólo masas positivas), y es totalmente compatible con la relatividad general y aproximaciones newtonianas.
Teorema de CPT
El teorema CPT implica que la diferencia entre las propiedades de una partícula de materia y las de su contraparte de antimateria está completamente descrita por C-inversión. Dado que esta inversión C no afecta la masa gravitacional, el teorema CPT predice que la masa gravitacional de la antimateria es la misma que la de la materia ordinaria. Entonces se excluye una gravedad repulsiva, ya que eso implicaría una diferencia de signo entre la masa gravitacional observable de materia y antimateria.
El argumento de Morrison
En 1958, Philip Morrison argumentó que la antigravedad violaría la conservación de la energía . Si la materia y la antimateria respondieran de manera opuesta a un campo gravitacional, entonces no se necesitaría energía para cambiar la altura de un par partícula-antipartícula. Sin embargo, cuando se mueve a través de un potencial gravitacional, la frecuencia y la energía de la luz cambian. Morrison argumentó que la energía se crearía produciendo materia y antimateria a una altura y luego aniquilándola más arriba, ya que los fotones utilizados en la producción tendrían menos energía que los fotones producidos por la aniquilación. Sin embargo, más tarde se descubrió que la antigravedad aún no violaría la segunda ley de la termodinámica .
El argumento de Schiff
Más tarde, en 1958, L. Schiff utilizó la teoría cuántica de campos para argumentar que la antigravedad sería incompatible con los resultados del experimento de Eötvös . Sin embargo, la técnica de renormalización utilizada en el análisis de Schiff es muy criticada y su trabajo no se considera concluyente. En 2014, el argumento fue rehecho por Marcoen Cabbolet, quien concluyó, sin embargo, que simplemente demuestra la incompatibilidad del Modelo Estándar y la repulsión gravitacional.
El argumento de Good
En 1961, Myron L. Good argumentó que la antigravedad daría lugar a la observación de una cantidad inaceptablemente alta de violación de CP en la regeneración anómala de kaones . En ese momento, aún no se había observado una violación del CP. Sin embargo, el argumento de Good es criticado por expresarse en términos de potenciales absolutos. Al reformular el argumento en términos de potenciales relativos, Gabriel Chardin descubrió que resultó en una cantidad de regeneración de kaones que concuerda con la observación. Argumenta que la antigravedad es, de hecho, una posible explicación de la violación de CP basándose en sus modelos de mesones K. Sus resultados se remontan a 1992. Desde entonces, sin embargo, los estudios sobre los mecanismos de violación de la CP en los sistemas de mesones B han invalidado fundamentalmente estas explicaciones.
El argumento de Gerard 't Hooft
Según Gerard 't Hooft , todo físico reconoce inmediatamente lo que está mal con la idea de repulsión gravitacional: si una pelota se lanza en el aire y cae hacia atrás, entonces su movimiento es simétrico en la inversión del tiempo; y por lo tanto, la bola cae también en dirección opuesta al tiempo. Dado que una partícula de materia en la dirección opuesta del tiempo es una antipartícula, esto prueba de acuerdo con 't Hooft que la antimateria cae sobre la tierra como la materia "normal". Sin embargo, Cabbolet respondió que el argumento de 't Hooft es falso y solo prueba que un anti-ball cae sobre un anti-tierra, lo cual no se discute.
Teorías de la repulsión gravitacional
Mientras no se haya refutado experimentalmente la gravedad repulsiva, se puede especular sobre los principios físicos que provocarían tal repulsión. Hasta ahora, se han publicado tres teorías radicalmente diferentes.
Teoría de Kowitt
La primera teoría de la gravedad repulsiva fue una teoría cuántica publicada por Mark Kowitt. En esta teoría de Dirac modificada, Kowitt postuló que el positrón no es un agujero en el mar de electrones con energía negativa como en la teoría de agujeros de Dirac habitual , sino que es un agujero en el mar de electrones con energía negativa. y-masa-gravitacional-positiva: esto produce una inversión C modificada, por la cual el positrón tiene energía positiva pero masa gravitacional negativa. Gravedad repulsiva se describe a continuación, mediante la adición de términos adicionales ( m g Φ g y m g A g ) a la ecuación de onda. La idea es que la función de onda de un positrón que se mueve en el campo gravitacional de una partícula de materia evoluciona de tal manera que con el tiempo es más probable encontrar el positrón más lejos de la partícula de materia.
La teoría de Santilli y Villata
Ruggero Santilli y Massimo Villata han publicado teorías clásicas de la gravedad repulsiva . Ambas teorías son extensiones de la relatividad general y experimentalmente son indistinguibles. La idea general sigue siendo que la gravedad es la desviación de la trayectoria de una partícula continua debido a la curvatura del espacio-tiempo, pero las antipartículas ahora "viven" en un espacio-tiempo invertido. La ecuación de movimiento de las antipartículas se obtiene a partir de la ecuación de movimiento de las partículas ordinarias aplicando los operadores C, P y T (Villata) o aplicando mapas isoduales (Santilli), lo que equivale a lo mismo: la ecuación de El movimiento de las antipartículas predice entonces una repulsión de materia y antimateria. Debe tomarse que las trayectorias observadas de las antipartículas son proyecciones en nuestro espacio-tiempo de las verdaderas trayectorias en el espacio-tiempo invertido. Sin embargo, se ha argumentado sobre bases metodológicas y ontológicas que el área de aplicación de la teoría de Villata no puede extenderse para incluir al microcosmos. Posteriormente, Villata desestimó estas objeciones.
La teoría de Cabbolet
Marcoen Cabbolet ha publicado los primeros principios físicos no clásicos y no cuánticos que subyacen a una repulsión gravitacional materia-antimateria. Introduce la Teoría de Procesos Elementales, que utiliza un nuevo lenguaje para la física, es decir, un nuevo formalismo matemático y nuevos conceptos físicos, y que es incompatible tanto con la mecánica cuántica como con la relatividad general. La idea central es que las partículas de masa en reposo distintas de cero, como electrones, protones, neutrones y sus contrapartes de antimateria, exhiben un movimiento escalonado al alternar entre un estado de reposo similar a una partícula y un estado de movimiento ondulado. La gravitación tiene lugar entonces en un estado ondulatorio y la teoría permite, por ejemplo, que los estados ondulatorios de los protones y antiprotones interactúan de manera diferente con el campo gravitacional de la Tierra.
Análisis
Otros autores han utilizado una repulsión gravitacional materia-antimateria para explicar las observaciones cosmológicas, pero estas publicaciones no abordan los principios físicos de la repulsión gravitacional.
Experimentos
Supernova 1987A
Una fuente de evidencia experimental a favor de la gravedad normal fue la observación de neutrinos de Supernova 1987A . En 1987, tres detectores de neutrinos en todo el mundo observaron simultáneamente una cascada de neutrinos que emanaba de una supernova en la Gran Nube de Magallanes . Aunque la supernova ocurrió a unos 164.000 años luz de distancia, parece que tanto los neutrinos como los antineutrinos se detectaron prácticamente de forma simultánea. Si ambos fueran realmente observados, entonces cualquier diferencia en la interacción gravitacional tendría que ser muy pequeña. Sin embargo, los detectores de neutrinos no pueden distinguir perfectamente entre neutrinos y antineutrinos. Algunos físicos estiman de forma conservadora que hay menos del 10% de posibilidades de que no se hayan observado neutrinos regulares. Otros estiman probabilidades aún más bajas, algunas tan bajas como el 1%. Desafortunadamente, es poco probable que esta precisión se mejore duplicando el experimento en el corto plazo. La última supernova conocida que ocurrió a tan corta distancia antes de la Supernova 1987A fue alrededor de 1867.
Los experimentos de Fairbank
El físico William Fairbank intentó un experimento de laboratorio para medir directamente la aceleración gravitacional de los electrones , con la esperanza de intentar el mismo método para los positrones. Sin embargo, su relación carga-masa es tan grande que los efectos electromagnéticos superaron los intentos de medir el impacto de la gravedad sobre los electrones. Fairbank nunca pudo intentar el experimento con positrones.
Es difícil observar directamente las fuerzas gravitacionales a nivel de partículas. Para las partículas cargadas, la fuerza electromagnética supera la interacción gravitacional mucho más débil. Incluso las antipartículas en antimateria neutra, como el antihidrógeno, deben mantenerse separadas de sus contrapartes en la materia que forma el equipo experimental, que requiere fuertes campos electromagnéticos. Estos campos, por ejemplo, en forma de trampas atómicas, ejercen fuerzas sobre estas antipartículas que fácilmente superan la fuerza gravitacional de la Tierra y las masas de prueba cercanas. Dado que todos los métodos de producción de antipartículas dan como resultado partículas de antimateria de alta energía, el enfriamiento necesario para la observación de los efectos gravitacionales en un entorno de laboratorio requiere técnicas experimentales muy elaboradas y un control muy cuidadoso de los campos de captura.
Experimentos con antihidrógeno neutro frío
Desde 2010, la producción de antihidrógeno frío es posible en el Antiproton Decelerator del CERN . El antihidrógeno, que es eléctricamente neutro, debería permitir medir directamente la atracción gravitacional de las partículas de antimateria hacia la materia terrestre. En 2013, los experimentos con átomos de antihidrógeno liberados de la trampa ALPHA establecieron límites gruesos directos, es decir, de caída libre, sobre la gravedad de la antimateria. Estos límites eran burdos, con una precisión relativa de ± 100%, por lo tanto, lejos de ser una declaración clara incluso para el signo de gravedad que actúa sobre la antimateria. Los experimentos futuros en el CERN con haces de antihidrógeno, como AEgIS, o con antihidrógeno atrapado, como ALPHA y GBAR, deben mejorar la sensibilidad para hacer una declaración científica clara sobre la gravedad en la antimateria. Experimentos recientes con positronio en LHe podrían ser el primer paso en esta línea de investigación, en este caso el poder estabilizar la antimateria puede conducir eventualmente a una forma de estudiar sus propiedades, en concreto sus propiedades en un campo gravitacional. Se ha sugerido que un material capaz de contener un par protón / antiprotón de la misma manera podría ser más útil, ya que los protones son sustancialmente más masivos que los electrones y cualquier efecto gravitacional se magnificaría en varios órdenes de magnitud hasta un punto en el que la detección sea mayor. trivial usando un acelerómetro refrigerado u otro sensor de desplazamiento cuántico. Además, un reactor de fusión catalizado por antimateria se simplificaría enormemente si el positronio se produjera y almacenara en una ubicación separada, aunque esto también causaría problemas con el transporte, ya que los positrones se producen típicamente "calientes" a altas velocidades relativas, por ejemplo, por la colisión de partículas con una hoja de oro. El reactor de antimateria citado sería una variante del fusor Farnsworth-Hirsch en el que el positronio se acelera hacia el núcleo mediante un pozo de potencial y el electrón se desvía a lo largo de una línea de campo magnético.