Gravitationsinteraktion von Antimaterie - Gravitational interaction of antimatter
Die gravitative Wechselwirkung von Antimaterie mit Materie oder Antimaterie wurde von Physikern nicht abschließend beobachtet. Während sich die Physiker einig sind, dass die Schwerkraft sowohl Materie als auch Antimaterie mit derselben Geschwindigkeit anzieht, wie Materie Materie anzieht, besteht der starke Wunsch, dies experimentell zu bestätigen – obwohl die einfache Algebra zeigt, dass die Anwesenheit von zwei Photonen mit positiven Energien nach Elektron/Positron Annihilationen, die in der Natur häufig beobachtet werden, sind ein extrem starker Beweis dafür, dass Antimaterie eine positive Masse hat und sich daher unter der Schwerkraft wie normale Materie verhalten würde.
Die Seltenheit und Vernichtungsneigung der Antimaterie bei Kontakt mit Materie macht ihr Studium zu einer technisch anspruchsvollen Aufgabe. Darüber hinaus ist die Gravitation aus Gründen, die für Physiker immer noch von Interesse sind, viel schwächer als die anderen fundamentalen Kräfte , was die Bemühungen zur Untersuchung der Gravitation in Systemen erschwert, die klein genug sind, um im Labor hergestellt zu werden, einschließlich Antimaterie-Systemen.
Die meisten Methoden zur Erzeugung von Antimaterie (insbesondere Antiwasserstoff ) führen zu hochenergetischen Teilchen und Atomen mit hoher kinetischer Energie, die für schwerkraftbezogene Studien ungeeignet sind . In den letzten Jahren haben zuerst ALPHA und dann ATRAP Antiwasserstoffatome am CERN gefangen ; Im Jahr 2012 verwendete ALPHA solche Atome, um die ersten freien Fallgrenzen für die Gravitationswechselwirkung von Antimaterie mit Materie festzulegen, die auf ±7500% der gewöhnlichen Schwerkraft gemessen wurde, nicht genug für eine klare wissenschaftliche Aussage über das Vorzeichen der Schwerkraft, die auf Antimaterie wirkt. Zukünftige Experimente müssen mit höherer Präzision durchgeführt werden, entweder mit Strahlen aus Antiwasserstoff (AEGIS) oder mit gefangenem Antiwasserstoff (ALPHA oder GBAR).
Neben der Unsicherheit darüber, ob Antimaterie von anderer Materie angezogen oder abgestoßen wird, ist auch unbekannt, ob die Größe der Gravitationskraft gleich ist. Schwierigkeiten bei der Erstellung von Quantengravitationsmodellen haben zu der Idee geführt, dass Antimaterie mit einer etwas anderen Größe reagieren kann.
Theorien der Gravitationsanziehung
Als 1932 zum ersten Mal Antimaterie entdeckt wurde, fragten sich Physiker, wie sie auf die Schwerkraft reagieren würde. Die anfängliche Analyse konzentrierte sich darauf, ob Antimaterie genauso reagieren sollte wie Materie oder entgegengesetzt reagieren sollte. Es entstanden mehrere theoretische Argumente, die Physiker davon überzeugten, dass Antimaterie genauso reagieren würde wie normale Materie. Sie folgerten , dass eine Gravitationsabstoßung zwischen Materie und Antimaterie unplausibel sei , da sie die CPT - Invarianz , die Energieerhaltung , die Vakuuminstabilität und die CP - Verletzung verletzen würde . Es wurde auch theoretisiert, dass dies nicht mit den Ergebnissen des Eötvös- Tests des schwachen Äquivalenzprinzips vereinbar wäre . Viele dieser frühen theoretischen Einwände wurden später widerlegt.
Das Äquivalenzprinzip
Das Äquivalenzprinzip sagt voraus, dass die Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie gleich der von gewöhnlicher Materie ist. Eine Materie-Antimaterie-Gravitationsabstoßung ist somit aus dieser Sicht ausgeschlossen. Darüber hinaus wurde in einer Vielzahl von astronomischen Tests ( z. B. Gravitationsrotverschiebung und Gravitationslinseneffekt ) beobachtet , dass Photonen , die im Rahmen des Standardmodells ihre eigenen Antiteilchen sind, genau wie von die allgemeine Relativitätstheorie . Dies ist ein Merkmal, das von jeder Theorie erklärt werden muss, die vorhersagt, dass sich Materie und Antimaterie abstoßen. Dies ist auch die Vorhersage von Jean-Pierre Petit in einem 2018 veröffentlichten Artikel: „Außerdem sagt das Janus-Modell voraus, dass sich die Antimaterie, die im Gbar-Experiment im Labor erzeugt wird, wie gewöhnliche Materie im Gravitationsfeld der Erde verhalten wird. " Die im Janus-Modell beschriebene Antigravitation wird von Antimaterie mit "negativen" Massen erzeugt (die in Labors oder durch kosmische Strahlung erzeugte Antimaterie hat nur positive Massen) und entspricht vollständig der allgemeinen Relativitätstheorie und Newtonschen Näherungen.
CPT-Theorem
Das CPT-Theorem besagt, dass der Unterschied zwischen den Eigenschaften eines Materieteilchens und denen seines Antimaterie-Gegenstücks vollständig durch C-Inversion beschrieben wird. Da diese C-Inversion die Gravitationsmasse nicht beeinflusst, sagt das CPT-Theorem voraus, dass die Gravitationsmasse von Antimaterie gleich der von gewöhnlicher Materie ist. Eine abstoßende Gravitation ist dann ausgeschlossen, da dies einen Vorzeichenunterschied zwischen der beobachtbaren Gravitationsmasse von Materie und Antimaterie bedeuten würde.
Morrisons Argument
1958 argumentierte Philip Morrison , dass Antigravitation die Energieerhaltung verletzen würde . Wenn Materie und Antimaterie auf ein Gravitationsfeld entgegengesetzt reagieren würden, dann würde keine Energie benötigt, um die Höhe eines Teilchen-Antiteilchen-Paares zu ändern. Wenn man sich jedoch durch ein Gravitationspotential bewegt, wird die Frequenz und Energie des Lichts verschoben. Morrison argumentierte , dass Energie , die von geschaffen würde Herstellung Materie und Antimaterie auf einer Höhe und dann vernichtend es höher, da die in der Produktion verwendeten Photonen weniger Energie als die Vernichtung von Photonen ergeben haben würden. Später stellte sich jedoch heraus, dass die Antigravitation den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik immer noch nicht verletzen würde .
Schiffs Argument
Später im Jahr 1958 argumentierte L. Schiff mit der Quantenfeldtheorie, dass die Antigravitation nicht mit den Ergebnissen des Eötvös-Experiments vereinbar wäre . Die in Schiffs Analyse verwendete Renormierungstechnik wird jedoch stark kritisiert und seine Arbeit wird als nicht schlüssig angesehen. 2014 wurde das Argument von Marcoen Cabbolet wiederholt, der jedoch zu dem Schluss kam, dass es lediglich die Inkompatibilität des Standardmodells und der Gravitationsabstoßung demonstriert.
Gutes Argument
1961 argumentierte Myron L. Good , dass Antigravitation zu einer inakzeptabel hohen CP-Verletzung bei der anomalen Regeneration von Kaonen führen würde . Zu diesem Zeitpunkt war eine CP-Verletzung noch nicht beobachtet worden. Goods Argument wird jedoch dafür kritisiert, dass es in absoluten Potenzialen ausgedrückt wird. Indem Gabriel Chardin das Argument in Bezug auf relative Potenziale umformulierte, stellte er fest, dass es zu einer Kaon-Regeneration führte, die mit der Beobachtung übereinstimmt. Er argumentiert, dass Antigravitation tatsächlich eine mögliche Erklärung für die CP-Verletzung ist, basierend auf seinen Modellen für K-Mesonen. Seine Ergebnisse reichen bis ins Jahr 1992 zurück. Seitdem haben Studien zu CP-Verletzungsmechanismen in den B-Mesonen-Systemen diese Erklärungen jedoch grundlegend entkräftet.
Gerard 't Hoofts Argument
Nach Gerard 't Hooft erkennt jeder Physiker sofort, was an der Idee der Gravitationsabstoßung nicht stimmt: Wird ein Ball hoch in die Luft geschleudert, so dass er zurückfällt, dann ist seine Bewegung unter Zeitumkehr symmetrisch; und daher fällt der Ball auch in entgegengesetzter Zeitrichtung nach unten. Da ein Materieteilchen in entgegengesetzter Zeitrichtung ein Antiteilchen ist, beweist dies nach 't Hooft, dass Antimaterie genauso wie "normale" Materie auf die Erde fällt. Cabbolet antwortete jedoch, dass 't Hoofts Argument falsch ist und nur beweist, dass ein Anti-Ball auf eine Anti-Erde fällt – was nicht bestritten wird.
Theorien der Gravitationsabstoßung
Solange die abstoßende Gravitation nicht experimentell widerlegt ist, kann man über physikalische Prinzipien spekulieren, die eine solche Abstoßung bewirken würden. Bisher wurden drei radikal unterschiedliche Theorien veröffentlicht.
Kowitts Theorie
Die erste Theorie der abstoßenden Gravitation war eine von Mark Kowitt veröffentlichte Quantentheorie. In dieser modifizierten Dirac-Theorie postulierte Kowitt, dass das Positron kein Loch im Meer von Elektronen mit negativer Energie wie in der üblichen Dirac-Lochtheorie ist , sondern ein Loch im Meer von Elektronen mit negativer Energie. und-positive-Gravitations-Masse: Dies ergibt eine modifizierte C-Inversion, bei der das Positron positive Energie, aber negative Gravitationsmasse hat. Abstoßungsschwerkraft wird dann durch das Hinzufügen von zusätzlichen Begriffen beschrieben ( m g Φ g und m g A g ) in die Wellengleichung. Die Idee ist, dass sich die Wellenfunktion eines Positrons, das sich im Gravitationsfeld eines Materieteilchens bewegt, so entwickelt, dass es mit der Zeit wahrscheinlicher wird, das Positron weiter entfernt vom Materieteilchen zu finden.
Die Theorie von Santilli und Villata
Klassische Theorien der abstoßenden Schwerkraft wurden von Ruggero Santilli und Massimo Villata veröffentlicht . Beide Theorien sind Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und experimentell nicht zu unterscheiden. Die allgemeine Idee bleibt, dass die Schwerkraft die Ablenkung einer kontinuierlichen Teilchenbahn aufgrund der Krümmung der Raumzeit ist, aber Antiteilchen "leben" jetzt in einer umgekehrten Raumzeit. Die Bewegungsgleichung für Antiteilchen erhält man dann aus der Bewegungsgleichung gewöhnlicher Teilchen durch Anwendung der C-, P- und T-Operatoren (Villata) oder durch Anwendung isodualer Abbildungen (Santilli), was auf dasselbe hinausläuft : die Gleichung von Bewegung für Antiteilchen sagt dann eine Abstoßung von Materie und Antimaterie voraus. Es muss davon ausgegangen werden, dass die beobachteten Flugbahnen von Antiteilchen Projektionen der wahren Flugbahnen in der invertierten Raumzeit auf unsere Raumzeit sind. Aus methodischen und ontologischen Gründen wird jedoch argumentiert, dass der Anwendungsbereich von Villatas Theorie nicht auf den Mikrokosmos ausgedehnt werden kann. Diese Einwände wurden anschließend von Villata zurückgewiesen.
Cabbolets Theorie
Die ersten nicht-klassischen, nicht-quantenphysikalischen Prinzipien, die einer Materie-Antimaterie-Gravitationsabstoßung zugrunde liegen, wurden von Marcoen Cabbolet veröffentlicht. Er stellt die Elementare Prozesstheorie vor, die eine neue Sprache für die Physik verwendet, dh einen neuen mathematischen Formalismus und neue physikalische Konzepte, und die sowohl mit der Quantenmechanik als auch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie unvereinbar ist. Die Kernidee besteht darin, dass Teilchen mit Ruhemasse ungleich null wie Elektronen, Protonen, Neutronen und ihre Antimaterie-Gegenstücke eine schrittweise Bewegung zeigen, wenn sie zwischen einem teilchenförmigen Ruhezustand und einem wellenförmigen Bewegungszustand wechseln. Die Gravitation findet dann in einem wellenförmigen Zustand statt, und die Theorie erlaubt beispielsweise, dass die wellenförmigen Zustände von Protonen und Antiprotonen unterschiedlich mit dem Gravitationsfeld der Erde wechselwirken.
Analyse
Weitere Autoren haben eine Materie-Antimaterie-Gravitationsabstoßung verwendet, um kosmologische Beobachtungen zu erklären, aber diese Veröffentlichungen gehen nicht auf die physikalischen Prinzipien der Gravitationsabstoßung ein.
Experimente
Supernova 1987A
Eine Quelle experimenteller Beweise für die Normalgravitation war die Beobachtung von Neutrinos von Supernova 1987A . 1987 beobachteten weltweit drei Neutrinodetektoren gleichzeitig eine Kaskade von Neutrinos, die von einer Supernova in der Großen Magellanschen Wolke ausgingen . Obwohl die Supernova etwa 164.000 Lichtjahre entfernt stattfand, scheinen sowohl Neutrinos als auch Antineutrinos praktisch gleichzeitig entdeckt worden zu sein. Wenn beide tatsächlich beobachtet würden, müsste jeder Unterschied in der Gravitationswechselwirkung sehr klein sein. Neutrinodetektoren können jedoch nicht perfekt zwischen Neutrinos und Antineutrinos unterscheiden. Einige Physiker schätzen konservativ, dass die Wahrscheinlichkeit, dass überhaupt keine regulären Neutrinos beobachtet wurden, mit einer Wahrscheinlichkeit von weniger als 10 % liegt. Andere schätzen sogar noch geringere Wahrscheinlichkeiten, manche sogar nur 1 %. Leider ist es unwahrscheinlich, dass diese Genauigkeit durch das Duplizieren des Experiments in absehbarer Zeit verbessert wird. Die letzte bekannte Supernova , die vor der Supernova 1987A in so kurzer Entfernung auftrat, war um 1867.
Fairbanks Experimente
Der Physiker William Fairbank versuchte ein Laborexperiment, um die Gravitationsbeschleunigung von Elektronen direkt zu messen, in der Hoffnung, die gleiche Methode für Positronen zu versuchen. Ihr Verhältnis von Ladung zu Masse ist jedoch so groß, dass elektromagnetische Effekte Versuche, den Einfluss der Schwerkraft auf Elektronen zu messen, überforderten. Fairbank konnte das Experiment mit Positronen nie versuchen.
Es ist schwierig, Gravitationskräfte auf Teilchenebene direkt zu beobachten. Bei geladenen Teilchen überwältigt die elektromagnetische Kraft die viel schwächere Gravitationswechselwirkung. Sogar Antiteilchen in neutraler Antimaterie, wie Antiwasserstoff, müssen von ihren Gegenstücken in der Materie, die die experimentelle Ausrüstung bildet, getrennt gehalten werden, was starke elektromagnetische Felder erfordert. Diese Felder, zB in Form von Atomfallen, üben auf diese Antiteilchen Kräfte aus, die die Gravitationskraft der Erde und nahegelegener Testmassen leicht überwinden. Da alle Herstellungsverfahren für Antiteilchen hochenergetische Antimaterieteilchen ergeben, erfordert die notwendige Kühlung zur Beobachtung von Gravitationseffekten in einer Laborumgebung sehr aufwendige experimentelle Techniken und eine sehr sorgfältige Kontrolle der Einfangfelder.
Kalte neutrale Antiwasserstoff-Experimente
Seit 2010 ist am Antiproton Decelerator des CERN die Produktion von kaltem Antiwasserstoff möglich . Der elektrisch neutrale Antiwasserstoff soll es ermöglichen, die Anziehungskraft von Antimaterieteilchen auf die Materie Erde direkt zu messen. Im Jahr 2013 setzten Experimente an Antiwasserstoffatomen, die aus der ALPHA-Falle freigesetzt wurden, dem direkten, dh freien Fall, grobe Grenzen der Antimaterie-Gravitation. Diese Grenzen waren grob, mit einer relativen Genauigkeit von ±100%, also weit von einer eindeutigen Aussage selbst für das auf Antimaterie wirkende Schwerkraftzeichen entfernt. Zukünftige Experimente am CERN mit Antiwasserstoffstrahlen wie AEgIS oder mit gefangenem Antiwasserstoff wie ALPHA und GBAR müssen die Empfindlichkeit verbessern, um eine klare wissenschaftliche Aussage über die Schwerkraft auf Antimaterie treffen zu können. Jüngste Experimente mit Positronium in LHe könnten der erste Schritt in dieser Forschungsrichtung sein, in diesem Fall könnte die Stabilisierung von Antimaterie schließlich dazu führen, dass ihre Eigenschaften untersucht werden können, insbesondere ihre Eigenschaften im Gravitationsfeld. Es wurde vorgeschlagen, dass ein Material, das in der Lage ist, ein Proton/Antiproton-Paar auf die gleiche Weise zu halten, nützlicher sein könnte, da Protonen wesentlich massiver sind als Elektronen und alle Gravitationseffekte um mehrere Größenordnungen bis zu einem Punkt verstärkt werden, an dem die Detektion trivial mit einem gekühlten Beschleunigungsmesser oder einem anderen Quantenverschiebungssensor. Auch ein Antimaterie-katalysierter Fusionsreaktor würde massiv vereinfacht, wenn Positronium an einem separaten Ort produziert und gelagert würde, obwohl dies auch Transportprobleme verursachen würde, da Positronen typischerweise bei hohen relativen Geschwindigkeiten "heiß" erzeugt werden, z. B. durch Kollision von Partikeln mit Goldfolie. Der zitierte Antimaterie-Reaktor wäre eine Variante des Farnsworth-Hirsch-Fusors, bei dem Positronium durch eine Potentialmulde in den Kern beschleunigt und Elektronen entlang einer magnetischen Feldlinie abgelenkt wird.