Interação gravitacional da antimatéria

A interação gravitacional da antimatéria com a matéria ou antimatéria não foi observada pelos físicos. Embora o consenso entre os físicos seja que se espera que a gravidade atraia tanto a matéria quanto a antimatéria na mesma proporção em que a matéria atrai a matéria, isso não é confirmado experimentalmente.^{[carece de fontes]}

A raridade e a tendência de aniquilação da antimatéria ao entrar 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 razões ainda de interesse para os físicos, complicando os esforços para estudar a gravidade em sistemas pequenos o suficiente para serem criados de forma viável em laboratório, incluindo sistemas de antimatéria. A maioria dos métodos para a criação de antimatéria (especificamente anti-hidrogênio) resulta em partículas e átomos de alta energia cinética, que são inadequados para estudos relacionados à gravidade.^{[carece de fontes]}

Além da incerteza sobre se a antimatéria é gravitacionalmente atraída ou repelida por outra matéria, também não se sabe se a magnitude da força gravitacional é a mesma. 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 pela primeira vez em 1932, os físicos se perguntaram como ela reagiria à gravidade. A análise inicial se concentrou em saber 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 matéria e antimatéria era implausível, pois violaria a simetria de carga, paridade e reversão do tempo (invariância C.P.T.), a conservação de energia, resultaria em princípio da equivalência fraco. Muitas dessas primeiras objeções teóricas foram derrubadas posteriormente.

O princípio da equivalência

O princípio da equivalência prevê que matéria e a antimatéria são aceleradas de forma idêntica por um campo gravitacional. Deste ponto de vista, a repulsão gravitacional matéria–antimatéria é excluída. Além disso, os fótons, que são suas próprias antipartículas na estrutura do Modelo padrão, foram observados em um grande número de testes astronômicos (desvio para o vermelho gravitacional e lentes gravitacionais, por exemplo) interagindo com o campo gravitacional da matéria comum exatamente como previsto pela teoria da relatividade geral. Esta é uma característica que qualquer teoria que prevê que matéria e antimatéria se repelem deve explicar. ^{[carece de fontes]}

Teorema C.P.T.

A simetria de carga, de paridade e de reversão do tempo implica que a diferença entre as propriedades de uma partícula de matéria e as de sua contraparte de antimatéria é completamente descrita pela inversão de C. Como essa inversão de C não afeta a massa gravitacional, o teorema C.P.T. prevê que a massa gravitacional da antimatéria é a mesma da matéria comum. Uma gravidade repulsiva é então excluída, pois isso implicaria uma diferença de sinal entre a massa gravitacional observável de matéria e antimatéria.^{[carece de fontes]}

Argumento de Morrison

Em 1958, Philip Morrison argumentou que a antigravidade violaria a conservação de energia. Se matéria e antimatéria respondessem de forma oposta a um campo gravitacional, não seria necessária 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 depois aniquilando-as mais acima, já que os fótons usados na produção teriam menos energia do que os fótons produzidos pela aniquilação. No entanto, foi demonstrado posteriormente 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 apenas demonstra a incompatibilidade do Modelo padrão e a repulsão gravitacional.

Argumento de Good

Em 1961, Myron L. Good argumentou que a antigravidade resultaria na observação de uma quantidade inaceitavelmente alta de violação de C.P. na regeneração anômala de kaons. À época, ainda não havia sido constatada violação de C.P. 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 kaons que concorda com a observação. Ele argumenta que a antigravidade é de fato uma explicação potencial para a violação de C.P. com base em seus modelos em mésons K. Seus resultados datam de 1992. Desde então, no entanto, estudos sobre mecanismos de violação de C.P. nos sistemas de mésons B invalidaram fundamentalmente essas explicações.^{[carece de fontes]}

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 no ar de modo que caia para trás, então seu movimento é simétrico sob a reversão do tempo; e, portanto, a bola também cai na direção oposta do tempo. Como 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 uma anti-bola cai sobre uma anti-terra - o que não é contestado.

Teorias da repulsão gravitacional

Enquanto a gravidade repulsiva não for 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 dos buracos de Dirac usual, mas sim um buraco no mar de "elétrons com energia negativa e massa gravitacional positiva": isso produz uma inversão de C modificada, pela qual o pósitron tem energia positiva, mas massa gravitacional negativa. A gravidade repulsiva é então descrita adicionando termos extras (m_gΦ_g e m_gA_g) à equação de onda. A ideia é que a função de onda de um pósitron movendo-se 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.^{[carece de fontes]}

A teoria de Santilli e Villata

As 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 o desvio de uma trajetória contínua de partícula 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 comuns aplicando os operadores C, P e T (Villata) ou aplicando "mapas isoduais" (Santilli), que equivalem à mesma coisa: a equação de movimento para antipartículas então prevê 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 introduz a Teoria elementar de processo, que usa uma nova linguagem para a física, ou seja, um novo formalismo matemático e novos conceitos físicos, e que é incompatível tanto com a mecânica quântica quanto com a relatividade geral. A ideia central é que partículas de massa de repouso diferentes de zero, como elétrons, prótons, nêutrons e suas contrapartes de antimatéria, exibem movimento gradual à medida que alternam entre um estado de repouso semelhante a partícula e um estado de movimento semelhante a uma onda. A gravitação então ocorre em um estado ondulatório, e a teoria permite, por exemplo, que os estados ondulatórios de prótons e antiprótons interajam de maneira diferente com o campo gravitacional da Terra.^{[carece de fontes]}

Análise

Outros autores usaram uma repulsão gravitacional 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 a favor da gravidade normal foi a observação de neutrinos da Supernova 1987A. Em 1987, três detectores de neutrinos em todo o 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, neutrinos e antineutrinos parecem ter sido detectados virtualmente simultaneamente. Se ambos fossem realmente observados, então qualquer diferença na interação gravitacional teria que ser muito pequena. No entanto, os detectores de neutrinos 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 melhore com a duplicação do experimento em breve. A última (mais recente) supernova conhecida a ocorrer em uma faixa tão próxima antes da Supernova 1987A foi por volta de 1867.

Experimentos de anti-hidrogênio neutro frio

Desde 2010, a produção de anti-hidrogênio frio tornou-se possível no Desacelerador de antiprótons do C.E.R.N.. O anti-hidrogênio, que é eletricamente neutro, deve permitir medir diretamente a atração gravitacional das partículas de antimatéria para a matéria da Terra.^{[carece de fontes]}

Átomos de anti-hidrogênio foram presos no C.E.R.N., primeiro A.L.Ph.A. e depois A.Trap.; em 2012, o A.L.Ph.A. 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 normal,^{[carece de fontes]} o que não é suficiente para uma afirmação 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 (A.L.Ph.A. ou G.B.A.R.).^{[carece de fontes]}

Em 2013, experimentos com átomos de anti-hidrogênio liberados da armadilha A.L.Ph.A. estabeleceram limites diretos, isto é, queda livre, limites aproximados da gravidade da antimatéria. Esses limites eram grosseiros, com uma precisão relativa de ±100%, portanto, longe de uma afirmação clara, mesmo para o sinal de gravidade atuando na antimatéria. Experimentos futuros no C.E.R.N. com feixes de anti-hidrogênio, como A.E.g.I.S., ou com anti-hidrogênio aprisionado, como A.L.Ph.A. e G.B.A.R., precisam melhorar a sensibilidade para fazer uma afirmação científica clara sobre a gravidade na antimatéria.

Ver também

• Energia escura
• Matéria escura
• Quinta força