Gravitationswechselwirkung von Antimaterie

Die gravitative Wechselwirkung von Antimaterie mit Materie oder Antimaterie wurde von Physikern beobachtet. ^{[ 1 ]} Wie von den meisten Physikern vorhergesagt, zeigte das Experiment, dass die Erdanziehungskraft Antimaterie innerhalb der Messgenauigkeit im gleichen Maße anzieht wie Materie.

Die Seltenheit von Antimaterie und ihre Tendenz zur Selbstzerstörung beim Kontakt mit Materie machen ihre Erforschung zu einer technisch anspruchsvollen Aufgabe. Darüber hinaus ist die Gravitation – aus für Physiker noch immer interessanten Gründen – deutlich schwächer als die anderen fundamentalen Kräfte , was die Untersuchung der Gravitation in Systemen erschwert, die klein genug sind, um im Labor erzeugt zu werden, einschließlich Antimateriesystemen. Die meisten Methoden zur Erzeugung von Antimaterie (insbesondere Antiwasserstoff ) führen zu Teilchen und Atomen mit hoher kinetischer Energie, die für die Untersuchung der Gravitation ungeeignet sind . ^{[ 2 ]}

Antimaterie wird von Materie gravitativ angezogen. Die Stärke der Gravitationskraft ist dabei gleich. Dies wird durch theoretische Argumente wie die Gravitationsäquivalenz von Energie und Materie vorhergesagt und wurde experimentell für Antiwasserstoff bestätigt. Die gemessene Äquivalenz der Gravitationsbeschleunigung von Materie auf Materie im Vergleich zu Antimaterie auf Materie weist jedoch eine Fehlertoleranz von etwa 20 % auf. ^{[ 1 ] : Tabelle 3.} Schwierigkeiten bei der Erstellung von Quantengravitationsmodellen haben zu der Annahme geführt, dass Antimaterie mit einer etwas anderen Stärke reagieren könnte. ^{[ 3 ]}

Als 1932 erstmals Antimaterie entdeckt wurde, fragten sich Physiker, wie sie auf die Gravitation reagieren würde. Anfängliche Analysen konzentrierten sich darauf, ob Antimaterie sich wie Materie verhalten oder umgekehrt. Mehrere theoretische Argumente überzeugten die Physiker davon, dass Antimaterie sich wie normale Materie verhalten würde. Sie schlussfolgerten, dass eine Gravitationsabstoßung zwischen Materie und Antimaterie unplausibel sei, da sie die CPT-Invarianz , die Energieerhaltung , die Vakuuminstabilität und die CP-Verletzung verletzen würde. Außerdem wurde theoretisch angenommen, dass sie mit den Ergebnissen des Eötvös- Tests des schwachen Äquivalenzprinzips unvereinbar wäre . Viele dieser frühen theoretischen Einwände wurden später widerlegt. ^{[ 4 ]}

Das Äquivalenzprinzip besagt, dass Masse und Energie gleich auf die Gravitation reagieren; demnach würden Materie und Antimaterie in einem Gravitationsfeld identisch beschleunigt. Aus diesem Grund ist eine gravitative Abstoßung zwischen Materie und Antimaterie unwahrscheinlich.

Photonen , die im Rahmen des Standardmodells ihre eigenen Antiteilchen sind, wechselwirken in zahlreichen astronomischen Experimenten ( z. B. Gravitationsrotverschiebung und Gravitationslinseneffekt ) exakt so mit dem Gravitationsfeld gewöhnlicher Materie, wie es die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt . Diese Eigenschaft muss jede Theorie erklären, die die Abstoßung von Materie und Antimaterie vorhersagt.

Das CPT-Theorem besagt, dass der Unterschied zwischen den Eigenschaften eines Materieteilchens und denen seines Antimaterie-Gegenstücks vollständig durch die C-Inversion beschrieben wird. Da diese C-Inversion die Gravitationsmasse nicht beeinflusst, sagt das CPT-Theorem voraus, dass die Gravitationsmasse von Antimaterie derjenigen gewöhnlicher Materie entspricht. ^{[ 5 ]} Eine abstoßende Gravitation ist daher ausgeschlossen, da dies einen Vorzeichenunterschied zwischen der beobachtbaren Gravitationsmasse von Materie und Antimaterie implizieren würde.

1958 argumentierte Philip Morrison , dass Antigravitation den Energieerhaltungssatz verletzen würde . Würden Materie und Antimaterie in einem Gravitationsfeld entgegengesetzt reagieren, wäre es nütze, die Höhe eines Teilchen-Antiteilchen-Paares nicht zu verändern. Bewegt sich Licht jedoch durch ein Gravitationsfeld, verändern sich Frequenz und Energie. Morrison argumentierte, dass Energie erzeugt würde, indem man Materie und Antimaterie auf einer bestimmten Höhe erzeugt und sie dann weiter oben wieder vernichtet, da die zur Erzeugung verwendeten Photonen weniger Energie besäßen als die bei der Vernichtung entstehenden. ^{[ 6 ]}

Später im Jahr 1958 argumentierte L. Schiff mithilfe der Quantenfeldtheorie, dass Antigravitation mit den Ergebnissen des Eötvös-Experiments unvereinbar sei . ^{[ 7 ]} Die in Schiffs Analyse verwendete Renormierungsmethode wird jedoch stark kritisiert, und seine Arbeit gilt als nicht schlüssig. ^{[ 4 ]} Im Jahr 2014 wurde das Argument von Marcoen Cabbolet erneut aufgegriffen, der jedoch zu dem Schluss kam, dass es lediglich die Unvereinbarkeit des Standardmodells mit der Gravitationsabstoßung aufzeigt. ^{[ 8 ]}

1961 argumentierte Myron L. Good , dass Antigravitation zu einer unannehmbar hohen CP-Verletzung bei der anomalen Regeneration von Kaonen führen würde . ^{[ 9 ]} Zu diesem Zeitpunkt war CP-Verletzung noch nicht beobachtet worden. Goods Argument wird jedoch kritisiert, da es auf absoluten Potenzialen basiert. Durch eine Umformulierung des Arguments auf relative Potenziale fand Gabriel Chardin heraus, dass die resultierende Kaon-Regeneration mit den Beobachtungen übereinstimmt. ^{[ 10 ]} Er argumentierte, dass Antigravitation eine mögliche Erklärung für CP-Verletzung sei, basierend auf seinen Modellen von K-Mesonen. Seine Ergebnisse stammen aus dem Jahr 1992. Seitdem haben jedoch Studien zu CP-Verletzungsmechanismen in B-Mesonen-Systemen diese Erklärungen grundlegend widerlegt.

Laut Gerard 't Hooft erkennt jeder Physiker sofort den Fehler in der Idee der Gravitationsabstoßung: Wenn ein Ball hoch in die Luft geworfen wird und zurückfällt, ist seine Bewegung symmetrisch unter Zeitumkehr; folglich fällt der Ball auch in entgegengesetzter Zeitrichtung nach unten. ^{[ 11 ]} Da ein Materieteilchen in entgegengesetzter Zeitrichtung ein Antiteilchen ist, beweist dies laut 't Hooft, dass Antimaterie auf die Erde fällt, genau wie „normale“ Materie. Cabbolet entgegnete jedoch, dass 't Hoofts Argument falsch sei und lediglich beweise, dass ein Antiball auf eine Anti-Erde fällt – was von den meisten Theorien zur Gravitationsabstoßung zwischen Materie und Antimaterie nicht bestritten wird. Dennoch kann 't Hoofts Argument gegen die Dirac-Milne-Theorie ^{[ 12 ]} verwendet werden , nach der Antimaterie sowohl Materie als auch Antimaterie gravitativ abstößt. ^{[ 13 ]}

Da die repulsive Gravitation experimentell nicht widerlegt wurde, lassen sich über physikalische Prinzipien spekulieren, die eine solche Repulsion hervorrufen würden. Bislang wurden drei grundverschiedene Theorien veröffentlicht.

Die erste Theorie der abstoßenden Gravitation war eine von Mark Kowitt veröffentlichte Quantentheorie. ^{[ 14 ]} In dieser modifizierten Dirac-Theorie postulierte Kowitt, dass das Positron nicht wie in der üblichen Dirac-Lochtheorie ein Loch im Meer von Elektronen mit negativer Energie darstellt, sondern ein Loch im Meer von Elektronen mit negativer Energie und positiver Gravitationsmasse. Dies führt zu einer modifizierten C-Inversion, bei der das Positron positive Energie, aber negative Gravitationsmasse besitzt. Abstoßende Gravitation wird dann durch Hinzufügen zusätzlicher Terme ( m _{_g} Φ_{_g} und m_{_g} A_{_g} ) zur Wellengleichung beschrieben. 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 anzutreffen.

Klassische Theorien der abstoßenden Gravitation wurden von Ruggero Santilli und Massimo Villata veröffentlicht . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Beide Theorien sind Erweiterungen der allgemeinen Relativitätstheorie und experimentell nicht zu unterscheiden. Die Grundidee bleibt bestehen: Gravitation ist die Ablenkung einer kontinuierlichen Teilchenbahn aufgrund der Krümmung der Raumzeit. Antiteilchen „existieren“ jedoch in einer invertierten Raumzeit. Die Bewegungsgleichung für Antiteilchen wird dann aus der Bewegungsgleichung gewöhnlicher Teilchen durch Anwendung der C-, P- und T-Operatoren (Villata) oder durch Anwendung isodualer Abbildungen (Santilli) gewonnen, was letztlich zum selben Ergebnis führt: Die Bewegungsgleichung für Antiteilchen sagt eine Abstoßung von Materie und Antimaterie voraus. Es ist anzunehmen, dass die beobachteten Trajektorien von Antiteilchen Projektionen der wahren Trajektorien in der invertierten Raumzeit auf unsere Raumzeit sind . Es wurde jedoch aus methodologischen und ontologischen Gründen argumentiert, dass der Anwendungsbereich von Villatas Theorie nicht auf den Mikrokosmos ausgedehnt werden könne. ^{[ 19 ]} Diese Einwände wurden später von Villata zurückgewiesen. ^{[ 20 ]}

Die ersten nichtklassischen, nichtquantenphysikalischen Prinzipien, die der Gravitationsabstoßung zwischen Materie und Antimaterie zugrunde liegen, wurden von Marcoen Cabbolet veröffentlicht. ^{[ 5 ] [ 21 ]} Er führt die Elementarprozesstheorie ein, die eine neue Sprache für die Physik verwendet, d. h. einen neuen mathematischen Formalismus und neue physikalische Konzepte, und die sowohl mit der Quantenmechanik als auch mit der allgemeinen Relativitätstheorie unvereinbar ist. Die Kernidee ist, dass Teilchen mit von null verschiedener Ruhemasse, wie Elektronen, Protonen, Neutronen und ihre Antimaterie-Gegenstücke, eine stufenweise Bewegung ausführen, indem sie zwischen einem teilchenartigen Ruhezustand und einem wellenartigen Bewegungszustand wechseln. Die Gravitation findet dann im wellenartigen Zustand statt, und die Theorie erlaubt beispielsweise, dass die wellenartigen Zustände von Protonen und Antiprotonen unterschiedlich mit dem Gravitationsfeld der Erde wechselwirken.

Weitere Autoren ^{[ 12 ] [ 22 ] [ 23 ]} haben eine Materie-Antimaterie-Gravitationsabstoßung verwendet, um kosmologische Beobachtungen zu erklären, aber diese Veröffentlichungen befassen sich nicht mit den physikalischen Prinzipien der Gravitationsabstoßung.

Ein experimenteller Beleg für die Annahme normaler Gravitation war die Beobachtung von Neutrinos der Supernova 1987A . Im Jahr 1987 registrierten drei Neutrinodetektoren weltweit gleichzeitig eine Neutrino-Kaskade, die von einer Supernova in der Großen Magellanschen Wolke ausging . Obwohl die Supernova etwa 164.000 Lichtjahre entfernt stattfand, wurden Neutrinos und Antineutrinos nahezu gleichzeitig nachgewiesen. Wären tatsächlich beide Arten beobachtet worden, müsste jeder Unterschied in der Gravitationswechselwirkung extrem gering 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, unter 10 % liegt. Andere gehen sogar von noch geringeren Wahrscheinlichkeiten aus, teilweise bis zu 1 %. ^{[ 24 ]} Leider ist es unwahrscheinlich, dass sich diese Genauigkeit durch eine Wiederholung des Experiments in absehbarer Zeit verbessern lässt. Die letzte bekannte Supernova, die vor Supernova 1987A in so geringer Entfernung stattfand, war um 1867. ^{[ 25 ]}

Seit 2010 ist die Erzeugung von kaltem Antiwasserstoff am Antiprotonen-Verzögerer des CERN möglich . Antiwasserstoff, der elektrisch neutral ist, sollte es ermöglichen, die Gravitationsanziehung von Antimaterieteilchen auf die Materie der Erde direkt zu messen.

Antiwasserstoffatome wurden am CERN eingefangen , zunächst mit ALPHA ^{[ 26 ] [ 27 ]} und dann mit ATRAP ^{[ 28 ]} . 2012 nutzte ALPHA solche Atome, um erstmals grobe Grenzen für die Gravitationswechselwirkung von Antimaterie mit Materie im freien Fall zu bestimmen. Die Messungen lagen innerhalb von ±7500 % der gewöhnlichen Gravitation ^{[ 29 ]} , was jedoch für eine eindeutige wissenschaftliche Aussage über das Vorzeichen der auf Antimaterie wirkenden Gravitation nicht ausreicht. Zukünftige Experimente müssen mit höherer Präzision durchgeführt werden, entweder mit Antiwasserstoffstrahlen ( AEgIS ) oder mit eingefangenem Antiwasserstoff ( ALPHA oder GBAR ).

Im Jahr 2013 wurden mit aus der ALPHA-Falle freigesetzten Antiwasserstoffatomen direkte, d. h. im freien Fall erfolgende, grobe Grenzen für die Gravitation von Antimaterie gesetzt. ^{[ 29 ]} Diese Grenzen waren mit einer relativen Präzision von ±100 % sehr ungenau und erlaubten daher selbst für das Vorzeichen der auf Antimaterie wirkenden Gravitation keine eindeutige Aussage. 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 Gravitation auf Antimaterie treffen zu können. ^{[ 30 ]}

Im Jahr 2023 erzielte ALPHA das erste Ergebnis, das bewies, dass Antimaterie das gleiche Vorzeichen für die Gravitationsbeschleunigung im freien Fall hat wie normale Materie. ^{[ 31 ]}

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