Los físicos han observado la interacción gravitacional de la antimateria con la materia o antimateria . [1] Como era el consenso entre los físicos anteriormente, se confirmó experimentalmente que la gravedad atrae tanto a la materia como a la antimateria a la misma velocidad dentro del error experimental.
La rareza de la antimateria y su tendencia a aniquilarse cuando entra en contacto con la materia hacen que su estudio sea una tarea técnicamente exigente. Además, la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas fundamentales , por razones que aún interesan a los físicos, lo que complica los esfuerzos para estudiar la gravedad en sistemas lo suficientemente pequeños como para ser factibles de crear en el laboratorio, incluidos los sistemas de antimateria. La mayoría de los métodos para la creación de antimateria (específicamente antihidrógeno ) dan como resultado partículas y átomos de alta energía cinética, que no son adecuados para el estudio relacionado con la gravedad . [2]
La antimateria es atraída gravitacionalmente por la materia. La magnitud de la fuerza gravitacional también es la misma. Esto se predice mediante argumentos teóricos como la equivalencia gravitacional de energía y materia , y se ha verificado experimentalmente para el antihidrógeno. Sin embargo, la equivalencia de la aceleración gravitacional de materia a materia frente a antimateria a materia tiene un margen de error de alrededor del 20% ( [1] tabla 3). Las dificultades para crear modelos de gravedad cuántica han llevado a la idea de que la antimateria puede reaccionar con una magnitud ligeramente diferente. [3]
Cuando se descubrió la antimateria por primera vez 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 igual que la materia normal. Infirieron que la repulsión gravitacional entre materia y antimateria era improbable ya que violaría la invariancia CPT , la conservación de la energía , daría lugar a la inestabilidad del vacío y daría lugar a la violación del principio de equivalencia débil . [ cita requerida ] 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 revocadas más tarde. [4]
El principio de equivalencia predice que la masa y la energía reaccionan de la misma manera con la gravedad, por lo que la materia y la antimateria serían aceleradas de manera idéntica por un campo gravitatorio. Desde este punto de vista, la repulsión gravitatoria entre materia y antimateria es poco probable.
En un gran número de pruebas astronómicas ( por ejemplo, el corrimiento al rojo gravitacional y el efecto de lente gravitacional ) se ha observado que los fotones , que son sus propias antipartículas en el marco del Modelo Estándar , interactúan con el campo gravitacional de la materia ordinaria exactamente como predice la teoría general de la relatividad . Esta es una característica que cualquier teoría que prediga que la materia y la antimateria se repelen debe explicar. [ cita requerida ]
El teorema CPT implica que la diferencia entre las propiedades de una partícula de materia y las de su contraparte de antimateria se describe completamente mediante la inversión C. 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. [5] Se excluye entonces una gravedad repulsiva, ya que eso implicaría una diferencia de signo entre la masa gravitacional observable de la materia y la antimateria. [ cita requerida ]
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 gravitatorio, entonces no se necesitaría energía para cambiar la altura de un par partícula-antipartícula. Sin embargo, al moverse a través de un potencial gravitatorio, la frecuencia y la energía de la luz se desplazan. Morrison argumentó que la energía se crearía al producir materia y antimateria a una altura y luego aniquilarlas más arriba, ya que los fotones utilizados en la producción tendrían menos energía que los fotones producidos por la aniquilación. [6]
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 . [7] Sin embargo, la técnica de renormalización utilizada en el análisis de Schiff es muy criticada y su trabajo se considera inconcluyente. [4] 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. [8]
En 1961, Myron L. Good argumentó que la antigravedad daría como resultado la observación de una cantidad inaceptablemente alta de violación de CP en la regeneración anómala de kaones . [9] En ese momento, la violación de CP aún no se había observado. Sin embargo, el argumento de Good es criticado por estar expresado en términos de potenciales absolutos. Al reformular el argumento en términos de potenciales relativos, Gabriel Chardin descubrió que dio como resultado una cantidad de regeneración de kaones que concuerda con la observación. [10] Argumentó que la antigravedad es una explicación potencial para la violación de CP basada en sus modelos sobre mesones K. Sus resultados datan de 1992. Desde entonces, sin embargo, los estudios sobre los mecanismos de violación de CP en los sistemas de mesones B han invalidado fundamentalmente estas explicaciones. [ cita requerida ]
Según Gerard 't Hooft , todo físico reconoce inmediatamente lo que está mal en la idea de la repulsión gravitatoria: si se lanza una pelota hacia arriba en el aire de modo que caiga hacia atrás, entonces su movimiento es simétrico bajo inversión temporal; y por lo tanto, la pelota también cae en dirección temporal opuesta. [11] Dado que una partícula de materia en dirección temporal opuesta es una antipartícula, esto prueba según 't Hooft que la antimateria cae sobre la Tierra al igual que la materia "normal". Sin embargo, Cabbolet respondió que el argumento de 't Hooft es falso, y solo prueba que una anti-pelota cae sobre una anti-Tierra, lo cual no se discute. [12]
Como la gravedad repulsiva no ha sido refutada experimentalmente, es posible especular sobre los principios físicos que podrían generar tal repulsión. Hasta ahora se han publicado tres teorías radicalmente diferentes.
La primera teoría de la gravedad repulsiva fue una teoría cuántica publicada por Mark Kowitt. [13] 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 habitual de agujeros de Dirac , 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. La gravedad repulsiva se describe luego agregando 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 se vuelve más probable encontrar el positrón más lejos de la partícula de materia. [ cita requerida ]
Las teorías clásicas de la gravedad repulsiva han sido publicadas por Ruggero Santilli y Massimo Villata. [14] [15] [16] [17] Ambas teorías son extensiones de la relatividad general y son experimentalmente indistinguibles. La idea general sigue siendo que la gravedad es la desviación de una trayectoria de partícula continua debido a la curvatura del espacio-tiempo, pero las antipartículas "viven" en un espacio-tiempo invertido. La ecuación de movimiento para antipartículas se obtiene entonces a partir de la ecuación de movimiento de partículas ordinarias aplicando los operadores C, P y T (Villata) o aplicando mapas isoduales (Santilli), lo que equivale a lo mismo: la ecuación de movimiento para antipartículas predice entonces una repulsión de materia y antimateria. Debe asumirse que las trayectorias observadas de antipartículas son proyecciones en nuestro espacio-tiempo de las trayectorias verdaderas 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 el microcosmos. [18] Estas objeciones fueron posteriormente rechazadas por Villata. [19]
Marcoen Cabbolet publicó los primeros principios físicos no clásicos y no cuánticos que sustentan la repulsión gravitatoria entre materia y antimateria. [5] [20] 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 no nula, como los electrones, protones, neutrones y sus contrapartes de antimateria, exhiben un movimiento escalonado a medida que alternan entre un estado de reposo similar al de una partícula y un estado de movimiento similar al de una onda. La gravitación entonces tiene lugar en un estado similar al de una onda, y la teoría permite, por ejemplo, que los estados similares a ondas de los protones y los antiprotones interactúen de manera diferente con el campo gravitatorio de la Tierra. [ cita requerida ]
Otros autores [21] [22] [23] han utilizado una repulsión gravitacional materia-antimateria para explicar las observaciones cosmológicas, pero estas publicaciones no abordan los principios físicos de la repulsión gravitacional.
Una fuente de evidencia experimental a favor de la gravedad normal fue la observación de neutrinos de la Supernova 1987A . En 1987, tres detectores de neutrinos en todo el mundo observaron simultáneamente una cascada de neutrinos que emanaban de una supernova en la Gran Nube de Magallanes . Aunque la supernova ocurrió a unos 164.000 años luz de distancia, tanto los neutrinos como los antineutrinos parecen haber sido detectados prácticamente simultáneamente. [ aclaración necesaria ] Si ambos fueron realmente observados, entonces cualquier diferencia en la interacción gravitatoria tendría que ser muy pequeña. Sin embargo, los detectores de neutrinos no pueden distinguir perfectamente entre neutrinos y antineutrinos. Algunos físicos estiman conservadoramente que hay menos de un 10% de probabilidades de que no se observaran neutrinos regulares en absoluto. Otros estiman probabilidades incluso más bajas, algunas tan bajas como el 1%. [24] Desafortunadamente, es poco probable que esta precisión mejore duplicando el experimento en el corto plazo. La última supernova conocida que ocurrió a una distancia tan cercana antes de la Supernova 1987A fue alrededor de 1867. [25]
Desde 2010, en el Decelerador de Antiprotones del CERN es posible producir antihidrógeno frío . El antihidrógeno, que es eléctricamente neutro, debería permitir medir directamente la atracción gravitatoria de las partículas de antimateria hacia la materia de la Tierra. [ cita requerida ]
Los átomos de antihidrógeno han sido atrapados en el CERN , primero en ALPHA [26] [27] y luego en ATRAP ; [28] en 2012 ALPHA utilizó dichos átomos para establecer los primeros límites flexibles de caída libre en la interacción gravitatoria de la antimateria con la materia, medidos con un margen de ±7500% de la gravedad ordinaria, [29] [ cita requerida ] no 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 ). [ cita requerida ]
En 2013, los experimentos con átomos de antihidrógeno liberados de la trampa ALPHA establecieron límites directos, es decir, de caída libre, para la gravedad de la antimateria. [29] Estos límites eran aproximados, con una precisión relativa de ±100%, por lo que estaban lejos de ser una afirmación clara incluso para el signo de la gravedad que actúa sobre la antimateria. Los futuros experimentos en el CERN con haces de antihidrógeno, como AEgIS, o con antihidrógeno atrapado, como ALPHA y GBAR, tienen que mejorar la sensibilidad para hacer una afirmación científica clara sobre la gravedad en la antimateria. [30]