Гравитационное взаимодействие антивещества - Gravitational interaction of antimatter

В гравитационное взаимодействие антивещества с иметь значение или же антивещество окончательно не наблюдалось физиками. Хотя среди физиков единодушное мнение заключается в том, что сила тяжести будет притягивать как материю, так и антивещество с той же скоростью, что и материя, существует сильное желание подтвердить это экспериментально - хотя простая алгебра показывает, что присутствие двух фотонов с положительной энергией после аннигиляции электронов / позитронов, часто наблюдаемых в природе, чрезвычайно велико. свидетельство того, что антивещество имеет положительную массу и, следовательно, действует как обычная материя под действием силы тяжести.

Редкость антивещества и склонность к уничтожать при соприкосновении с материей ее изучение становится технически сложной задачей. Кроме того, гравитация намного слабее, чем у других фундаментальные силы по причинам, до сих пор представляющим интерес для физиков, что затрудняет изучение гравитации в системах, достаточно малых, чтобы их можно было создать в лаборатории, включая системы на антивеществе.

Большинство методов создания антивещества (в частности, антиводород ) приводят к частицам высоких энергий и атомам с высокой кинетической энергией, которые непригодны для сила тяжести -связанное исследование. В последние годы первая АЛЬФА[1][2] а потом ЛОВУШКА[3] захватили атомы антиводорода на ЦЕРН; в 2012 году ALPHA использовала такие атомы, чтобы установить первые свободные границы свободного падения для гравитационного взаимодействия антивещества с веществом, измеряемого с точностью до ± 7500% от обычной силы тяжести,[4][нужна цитата ] недостаточно для четкого научного утверждения о знаке гравитации, действующей на антивещество. Будущие эксперименты необходимо проводить с более высокой точностью, либо с пучками антиводорода (AEGIS), либо с захваченным антиводородом (ALPHA или GBAR).

Помимо неопределенности относительно того, притягивается ли антивещество гравитационным путем или отталкивается от другого вещества, также неизвестно, одинакова ли величина гравитационной силы. Трудности в создании квантовая гравитация модели привели к мысли, что антивещество может реагировать с немного другой величиной.[5]

Теории гравитационного притяжения

Когда антивещество было впервые обнаружено в 1932 году, физики задавались вопросом, как оно будет реагировать на гравитацию. Первоначальный анализ был сосредоточен на том, должно ли антивещество реагировать так же, как материя, или реагировать противоположно. Возникло несколько теоретических аргументов, которые убедили физиков, что антивещество будет реагировать точно так же, как нормальное вещество. Они пришли к выводу, что гравитационное отталкивание между материей и антиматерией было невероятным, поскольку оно нарушило бы CPT-инвариантность, сохранение энергии, результат в нестабильность вакуума, и в результате Нарушение CP. Также предполагалось, что это будет несовместимо с результатами Eötvös испытание принцип слабой эквивалентности. Многие из этих ранних теоретических возражений позже были опровергнуты.[6]

Принцип эквивалентности

В принцип эквивалентности предсказывает, что гравитационное ускорение антивещества такое же, как и у обычного вещества. Таким образом, гравитационное отталкивание вещества и антивещества исключается с этой точки зрения. Более того, фотоны, которые в рамках Стандартной модели являются собственными античастицами, прошли большое количество астрономических испытаний (гравитационное красное смещение и гравитационное линзирование, например), как было обнаружено, взаимодействует с гравитационным полем обычной материи точно так, как предсказывает общая теория относительности. Эта особенность должна быть объяснена любой теорией, предсказывающей отталкивание вещества и антивещества. Это также предсказание Жан-Пьера Пети в статье, опубликованной в 2018 году: «Кроме того, Модель януса предсказывает, что антивещество, которое будет создано в лаборатории в эксперименте Gbar[7] будет вести себя как обычная материя в гравитационном поле Земли ".[8] Антигравитация, описанная в модели Януса, создается антивеществом с «отрицательными» массами (антивещество, производимое в лабораториях или космическими лучами, имеет только положительные массы), и полностью соответствует общей теории относительности и ньютоновским приближениям.

CPT теорема

В CPT теорема означает, что разница между свойствами частицы материи и ее аналога из антивещества составляет полностью описывается C-инверсией. Поскольку эта C-инверсия не влияет на гравитационную массу, теорема CPT предсказывает, что гравитационная масса антивещества такая же, как у обычного вещества.[9] Тогда отталкивающая гравитация исключается, так как это означало бы различие в знаке между наблюдаемой гравитационной массой вещества и антивещества.

Аргумент Моррисона

В 1958 г. Филип Моррисон утверждал, что антигравитация нарушит сохранение энергии. Если материя и антивещество противоположно реагируют на гравитационное поле, то для изменения высоты пары частица-античастица не потребуется энергии. Однако при движении через гравитационный потенциал частота и энергия света смещаются. Моррисон утверждал, что энергия будет создаваться производство материя и антивещество находятся на одной высоте, а затем аннигилируют на более высокой высоте, поскольку фотоны, используемые для производства, будут иметь меньшую энергию, чем фотоны, полученные в результате аннигиляции.[10] Однако позже было обнаружено, что антигравитация все же не нарушала второй закон термодинамики.[11]

Аргумент Шиффа

Позже в 1958 г. Л. Шифф использовали квантовую теорию поля, чтобы доказать, что антигравитация несовместима с результатами Эксперимент Этвёша.[12] Однако метод перенормировки, использованный в анализе Шиффа, подвергается резкой критике, а его работа считается неубедительной.[6] В 2014 году аргумент был переделан Маркоен Кабболет, который, однако, пришел к выводу, что это просто демонстрирует несовместимость Стандартной модели и гравитационного отталкивания.[13]

Аргумент Гуда

В 1961 г. Майрон Л. Гуд утверждал, что антигравитация приведет к наблюдению неприемлемо большого количества Нарушение CP в аномальной регенерации каоны.[14] На тот момент нарушения CP еще не наблюдалось. Однако аргумент Гуда критикуется за то, что он выражается в терминах абсолютных потенциалов. Перефразируя аргумент в терминах относительных потенциалов, Габриэль Шарден обнаружили, что это привело к некоторой регенерации каонов, что согласуется с наблюдениями.[15] Он утверждает, что антигравитация на самом деле является потенциальным объяснением CP-нарушения, основанного на его моделях на K-мезонах. Его результаты датируются 1992 годом. Однако с тех пор исследования механизмов нарушения СР в системах B-мезонов в корне опровергли эти объяснения.

Аргумент Джерарда т Хофта

В соответствии с Жерар т Хофт, каждый физик сразу понимает, что не так с идеей гравитационного отталкивания: если мяч подброшен в воздух так, что он упадет обратно, то его движение будет симметричным относительно обращения времени; и поэтому мяч также падает в противоположном направлении времени.[16] Поскольку частица материи в противоположном направлении времени является античастицей, это доказывает, согласно 'т Хофту, что антивещество падает на землю, как и "нормальная" материя. Однако Кабболет ответил, что аргумент' т Хофта ложен и только доказывает, что анти-мяч падает на анти-землю - это не оспаривается.[17]

Теории гравитационного отталкивания

Пока отталкивающая гравитация не была опровергнута экспериментально, можно рассуждать о физических принципах, которые могли бы вызвать такое отталкивание. К настоящему времени опубликованы три радикально разные теории.

Теория Ковитта

Первой теорией отталкивающей гравитации была квантовая теория, опубликованная Марк Ковитт.[18] В этой модифицированной теории Дирака Ковитт постулировал, что позитрон - это не дыра в море электронов с отрицательной энергией, как обычно. Теория дыр Дирака, но вместо этого это дыра в море электронов с отрицательной энергией и положительной гравитационной массой: это дает модифицированную С-инверсию, благодаря которой позитрон имеет положительную энергию, но отрицательную гравитационную массу. Отталкивающая сила тяжести затем описывается добавлением дополнительных терминов (мграммΦграмм и мграммАграмм) к волновому уравнению. Идея состоит в том, что волновая функция позитрона, движущегося в гравитационном поле материальной частицы, эволюционирует так, что со временем становится более вероятным найти позитрон подальше от материальной частицы.

Теория Сантилли и Виллата

Классические теории отталкивающей гравитации были опубликованы Руджеро Сантилли и Массимо Виллата.[19][20][21][22] Обе теории являются продолжением общая теория относительности, и экспериментально неразличимы. Общая идея остается, что гравитация - это отклонение непрерывной траектории частицы из-за искривления пространства-времени, но античастицы теперь «живут» в перевернутом пространстве-времени. Уравнение движения античастиц затем получается из уравнения движения обычных частиц с помощью операторов C, P и T (Виллата) или путем применения изодуальные карты (Сантилли), что равносильно тому же: уравнение движения античастиц предсказывает отталкивание материи и антивещества. Следует принять, что наблюдаемый траектории античастиц - это проекции на наш пространство-время истинных траекторий в инвертированном пространстве-времени. Однако на методологических и онтологических основаниях утверждается, что область применения теории Виллата не может быть расширена за счет включения микрокосмоса.[23] Эти возражения были впоследствии отклонены Виллатой.[24]

Теория Кабблета

Первые неклассические, неквантовые физические принципы, лежащие в основе гравитационного отталкивания материи и антивещества, были опубликованы Маркоеном Кабболетом.[9][25] Он вводит теорию элементарных процессов, которая использует новый язык физики, то есть новый математический формализм и новые физические концепции, и которая несовместима как с квантовой механикой, так и с общей теорией относительности. Основная идея состоит в том, что частицы с ненулевой массой покоя, такие как электроны, протоны, нейтроны и их аналоги из антивещества, демонстрируют ступенчатое движение, когда они чередуются между состоянием покоя, подобным частице, и состоянием движения, подобным волнам. Тогда гравитация имеет место в волнообразном состоянии, и теория допускает, например, что волнообразные состояния протонов и антипротонов по-разному взаимодействуют с гравитационным полем Земли.

Анализ

Дальнейшие авторы[26][27][28] использовали гравитационное отталкивание материи и антивещества для объяснения космологических наблюдений, но в этих публикациях не рассматриваются физические принципы гравитационного отталкивания.

Эксперименты

Сверхновая 1987A

Одним из источников экспериментальных доказательств в пользу нормальной гравитации было наблюдение нейтрино из Сверхновая 1987A. В 1987 году три нейтринных детектора по всему миру одновременно наблюдали каскад нейтрино, исходящих из сверхновая звезда в Большое Магелланово Облако. Хотя сверхновая произошло около 164000 световых лет вдали, и нейтрино, и антинейтрино, по-видимому, были обнаружены практически одновременно.[требуется разъяснение ] Если бы и то и другое действительно наблюдалось, то любая разница в гравитационном взаимодействии была бы очень маленькой. Однако детекторы нейтрино не могут точно отличить нейтрино от антинейтрино. Некоторые физики консервативно считают, что вероятность того, что обычных нейтрино вообще не наблюдалось, составляет менее 10%. Другие оценивают даже более низкие вероятности, некоторые - всего 1%.[29] К сожалению, эту точность вряд ли можно улучшить путем дублирования эксперимента в ближайшее время. В последняя известная сверхновая произойти на таком близком расстоянии до Сверхновой 1987A было около 1867 года.[30]

Эксперименты Fairbank

Физик Уильям Фэрбэнк попытался провести лабораторный эксперимент по прямому измерению гравитационного ускорения электроны, в надежде попробовать тот же метод для позитронов.[31] Однако их отношение заряда к массе настолько велик, что электромагнитные эффекты подавили попытки измерить влияние гравитации на электроны. Фэрбанку так и не удалось провести эксперимент с позитронами.[6]

Непосредственно наблюдать гравитационные силы на уровне частиц сложно. Для заряженных частиц электромагнитная сила подавляет гораздо более слабое гравитационное взаимодействие. Даже античастицы в нейтральном антивеществе, такие как антиводород, должны храниться отдельно от их аналогов в веществе, составляющем экспериментальное оборудование, которое требует сильных электромагнитных полей. Эти поля, например в виде атомных ловушек воздействуют на эти античастицы силы, которые легко преодолевают гравитационную силу Земли и близлежащих пробных масс. Поскольку все методы производства античастиц приводят к образованию высокоэнергетических частиц антивещества, необходимое охлаждение для наблюдения гравитационных эффектов в лабораторных условиях требует очень сложных экспериментальных методов и очень тщательного контроля полей захвата.

Холодный нейтральный антиводород

С 2010 года производство холода антиводород стало возможным на Антипротонный замедлитель в ЦЕРН. Антиводород, который является электрически нейтральным, должен позволить напрямую измерить гравитационное притяжение частиц антивещества к материи Земли. В 2013 году эксперименты с атомами антиводорода, выпущенными из ловушки ALPHA, установили прямые, то есть свободные падения, грубые ограничения на гравитацию антивещества.[4] Эти пределы были грубыми, с относительной точностью ± 100%, таким образом, далеко от четкого определения даже для знака гравитации, действующей на антивещество. Будущие эксперименты в ЦЕРНе с пучками антиводорода, такими как AEgIS, или с захваченным антиводородом, такими как ALPHA и GBAR, должны улучшить чувствительность, чтобы сделать четкое научное утверждение о гравитации на антивеществе.[32]Недавние эксперименты с позитронием в LHe [33] может быть первым шагом в этом направлении исследований, в этом случае возможность стабилизировать антивещество может в конечном итоге привести к способу изучения его свойств, в частности, его свойств в гравитационном поле. Было высказано предположение, что материал, способный удерживать пару протон / антипротон таким же образом, мог бы быть более полезным, поскольку протоны значительно массивнее электронов, и любые гравитационные эффекты будут увеличиваться на несколько порядков до точки, где обнаружение становится невозможным. тривиально использовать охлаждаемый акселерометр или другой датчик квантового смещения. Кроме того, термоядерный реактор, катализируемый антивеществом, был бы значительно упрощен, если бы позитроний производился и хранился в отдельном месте, хотя это также может вызвать проблемы с переносом, поскольку позитроны обычно производятся «горячими» при высоких относительных скорости, например При столкновении частиц с золотой фольгой цитируемый реактор на антивеществе мог бы быть вариантом фузора Фарнсворта-Хирша, в котором позитроний ускоряется в ядро ​​потенциальной ямой, а электрон отклоняется вдоль силовой линии магнитного поля.[34]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Андресен, Г. Б .; Ашкезари, М. Д .; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Bowe, P.D .; и другие. (2010). «Захваченный антиводород». Природа. 468 (7324): 673–676. Bibcode:2010Натура.468..673A. Дои:10.1038 / природа09610. PMID  21085118. S2CID  2209534.
  2. ^ Андресен, Г. Б .; Ашкезари, М. Д .; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Bowe, P.D .; и другие. (2011). «Удержание антиводорода на 1000 секунд». Природа Физика. 7 (7): 558–564. arXiv:1104.4982. Bibcode:2011НатФ ... 7..558А. Дои:10.1038 / NPHYS2025. S2CID  17151882.
  3. ^ Gabrielse, G .; Kalra, R .; Kolthammer, W. S .; McConnell, R .; Richerme, P .; и другие. (2012). «Захваченный антиводород в его основном состоянии». Письма с физическими проверками. 108 (11): 113002. arXiv:1201.2717. Bibcode:2012PhRvL.108k3002G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.113002. PMID  22540471. S2CID  1480649.
  4. ^ а б Amole, C .; Ашкезари, М. Д .; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Батлер, Э .; и другие. (2013). «Описание и первое применение нового метода измерения гравитационной массы антиводорода». Nature Communications. 4: 1785. Bibcode:2013 НатКо ... 4.1785A. Дои:10.1038 / ncomms2787. ЧВК  3644108. PMID  23653197.
  5. ^ Nieto, M. M .; Hughes, R.J .; Гольдман, Т. (март 1988 г.). «Гравитация и антивещество». Scientific American. Получено 21 декабря, 2016.
  6. ^ а б c Nieto, M. M .; Гольдман, Т. (1991). «Аргументы против« антигравитации »и гравитационного ускорения антивещества». Отчеты по физике. 205 (5): 221–281. Bibcode:1991ФР ... 205..221Н. Дои:10.1016 / 0370-1573 (91) 90138-С. Примечание: исправление опубликовано в 1992 году в томе 216.
  7. ^ https://home.cern/fr/news/news/experiments/new-antimatter-gravity-experiments-begin-cern
  8. ^ D'Agostini, G .; Пети, Ж.-П. (Июнь 2018). "Ограничения на космологическую модель Януса из недавних наблюдений сверхновых типа Ia" (PDF). Астрофизика и космическая наука. 363 (7): 139. Bibcode:2018Ap & SS.363..139D. Дои:10.1007 / s10509-018-3365-3. S2CID  125167116.
  9. ^ а б Кабболет, М. Дж. Т. Ф. (2010). «Теория элементарных процессов: формальная аксиоматическая система с потенциальным применением в качестве фундаментальной основы для физики, поддерживающей гравитационное отталкивание материи и антивещества». Annalen der Physik. 522 (10): 699–738. Bibcode:2010AnP ... 522..699C. Дои:10.1002 / andp.201000063.
  10. ^ Моррисон, П. (1958). «Примерная природа физических симметрий». Американский журнал физики. 26 (6): 358–368. Bibcode:1958AmJPh..26..358M. Дои:10.1119/1.1996159.
  11. ^ Шарден, Г. (1993). «Нарушение CP и антигравитация (снова)». Ядерная физика A. 558: 477–495. Bibcode:1993НуФА.558..477С. Дои:10.1016 / 0375-9474 (93) 90415-Т.
  12. ^ Шифф, Л. И. (1958). «Знак гравитационной массы позитрона». Письма с физическими проверками. 1 (7): 254–255. Bibcode:1958ПхРвЛ ... 1..254С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.1.254.
  13. ^ Кабболет, М. Дж. Т. Ф. (2014). «Несовместимость КЭД / КХД и отталкивающей гравитации и последствия для некоторых недавних подходов к темной энергии». Астрофизика и космическая наука. 350 (2): 777–780. Bibcode:2014Ap и SS.350..777C. Дои:10.1007 / s10509-014-1791-4. S2CID  120917960.
  14. ^ Хорошо, М.Л. (1961). "K20 и принцип эквивалентности ". Физический обзор. 121 (1): 311–313. Bibcode:1961ПхРв..121..311Г. Дои:10.1103 / PhysRev.121.311.
  15. ^ Chardin, G .; Ракс, Ж.-М. (1992). "CP нарушение. Дело в (анти) гравитации? ». Письма по физике B. 282 (1–2): 256–262. Bibcode:1992ФЛБ..282..256С. Дои:10.1016 / 0370-2693 (92) 90510-Б.
  16. ^ Г. т Хоофт, Spookrijders in de wetenschap (на голландском языке), ДУБ (2014)
  17. ^ M.J.T.F. Кабболет, 't Hooft slaat plank mis over spookrijders (на голландском), ДУБ (2014)
  18. ^ Ковитт, М. (1996). «Гравитационное отталкивание и антивещество Дирака». Международный журнал теоретической физики. 35 (3): 605–631. Bibcode:1996IJTP ... 35..605K. Дои:10.1007 / BF02082828. S2CID  120473463.
  19. ^ Сантилли, Р. (1999). «Классическая изодуальная теория антивещества и ее предсказание антигравитации». Международный журнал современной физики A. 14 (14): 2205–2238. Bibcode:1999IJMPA..14.2205S. Дои:10.1142 / S0217751X99001111.
  20. ^ Виллата, М. (2011). «CPT-симметрия и гравитация антивещества в общей теории относительности». EPL. 94 (2): 20001. arXiv:1103.4937. Bibcode:2011ЭЛ ..... 9420001В. Дои:10.1209/0295-5075/94/20001. S2CID  36677097.
  21. ^ Виллата, М. (2013). «О природе темной энергии: решетчатая Вселенная». Астрофизика и космическая наука. 345 (1): 1–9. arXiv:1302.3515. Bibcode:2013Ap и SS.345 .... 1 В. Дои:10.1007 / s10509-013-1388-3. S2CID  119288465.
  22. ^ Виллата, М. (2015). "Интерпретация материи-антивещества керровского пространства-времени". Annalen der Physik. 527 (7–8): 507–512. arXiv:1403.4820. Bibcode:2015АнП ... 527..507В. Дои:10.1002 / andp.201500154. S2CID  118457890.
  23. ^ Кабболет, М. Дж. Т. Ф. (2011). «Комментарий к статье М. Виллата об антигравитации». Астрофизика и космическая наука. 337 (1): 5–7. arXiv:1108.4543. Bibcode:2012Ap и SS.337 .... 5C. Дои:10.1007 / s10509-011-0939-8. S2CID  119181081.
  24. ^ Виллата, М. (2011). "Ответ на" Комментарий к статье М. Виллата об антигравитации'". Астрофизика и космическая наука. 337 (1): 15–17. arXiv:1109.1201. Bibcode:2012Ap и SS.337 ... 15 В. Дои:10.1007 / s10509-011-0940-2. S2CID  118540070.
  25. ^ Кабболет, М. Дж. Т. Ф. (2011). «Дополнение к теории элементарного процесса». Annalen der Physik. 523 (12): 990–994. Bibcode:2011AnP ... 523..990C. Дои:10.1002 / andp.201100194.
  26. ^ Blanchet, L .; Ле Тиек, А. (2008). «Модель темной материи и темной энергии на основе гравитационной поляризации». Физический обзор D. 78 (2): 024031. arXiv:0804.3518. Bibcode:2008ПхРвД..78б4031Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.78.024031. S2CID  118336207.
  27. ^ Хайдукович, Д. С. (2011). «Является ли темная материя иллюзией, созданной гравитационной поляризацией квантового вакуума?». Астрофизика и космическая наука. 334 (2): 215–218. arXiv:1106.0847. Bibcode:2011Ap & SS.334..215H. Дои:10.1007 / s10509-011-0744-4. S2CID  12157851.
  28. ^ Бенуа-Леви, А .; Шарден, Г. (2012). «Представляем вселенную Дирака-Милна». Астрономия и астрофизика. 537: A78. arXiv:1110.3054. Bibcode:2012A и A ... 537A..78B. Дои:10.1051/0004-6361/201016103. S2CID  119232871.
  29. ^ Pakvasa, S .; Simmons, W.A .; Вейлер, Т. Дж. (1989). «Проверка принципа эквивалентности нейтрино и антинейтрино». Физический обзор D. 39 (6): 1761–1763. Bibcode:1989ПхРвД..39.1761П. Дои:10.1103 / PhysRevD.39.1761. PMID  9959839.
  30. ^ Reynolds, S.P .; Borkowski, K. J .; Грин, Д. А .; Hwang, U .; Harrus, I .; Петре, Р. (2008). "Самый молодой остаток галактической сверхновой: G1.9 + 0.3". Астрофизический журнал. 680 (1): L41 – L44. arXiv:0803.1487. Bibcode:2008ApJ ... 680L..41R. Дои:10.1086/589570. S2CID  67766657.
  31. ^ Фэрбэнк, Уильям М. «Эксперименты по измерению силы тяжести на позитронах» (PDF).
  32. ^ Амос, Дж. (06.06.2011). «Атомы антивещества загнаны в загон еще дольше». BBC News Online. Получено 2013-09-03.
  33. ^ https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14073257/bubbles-of-positronium-in-liquid-helium-could-make-a-gammaray-laser-possible
  34. ^ https://www.nextbigfuture.com/2018/09/positron-catalyzed-fusion-propulsion.html