Antimaddenin kütleçekimsel etkileşimi

Antimaddenin maddeyle ya da antimaddeyle olan kütleçekimsel etkileşimi kesin olarak gözlemlenmemiştir. Fizikçiler arasında antimaddenin maddeyi ve antimaddeyi, iki maddenin birbirini çekme oranıyla aynı oranda çekeceğinde fikirbirliği vardır ve bunu deneysel olarak doğrulamak için büyük bir arzu duymaktadırlar.

Antimaddenin enderliği ve maddeyi yok etme eğilimi yüzünden teknik olarak çalışılması oldukça zordur. Antimadde yaratmak için kullanılan birçok yöntem (özellikle antihidrojen), yüksek enerjili ve kütleçekim ile ilgili çalışma yapmaya uygun olmayan parçacıklar ve atomlar meydana getirir.Son yıllarda, önce ALPHA ve sonra ATRAP CERN'de sıkıştırılmış antihidrojen elde etti; 2012'de ALFA bu atomları kullanarak, kütleçekimsel etkileşim içindeki antimadde ve maddenin serbest düşüş gevşek bağlarını kurdu ve normal kütleçekimin ±7500%'ü gibi bir ölçüm yaptı.^{[kaynak belirtilmeli]}Fakat bu ölçüm antimaddeye etki eden kütleçekimin işaretini açıklayabilmek için yeterli değil. Gelecek deneylerin daha yüksek tutarlılıkta olması ve sıkıştırılmış antihidrojenle (ALPHA) beraber antihidrojen ışınları (AEGIS ya da GBAR) içermesi gerekiyor.

Üç hipotez

Şimdiye kadar, antimaddenin normal maddeyle olan kütleçekim ilişkisiyle ilgili üç hipotez ortaya kondu:

• Normal yerçekimi: Standart varsayıma göre  madde ve antimadde arasındaki kütleçekimsel etkileşimler aynı.
• Anti-yerçekimi: Bazı yazarlar antimaddenin maddeyi onu çektiği şiddete eşdeğer bir şiddetle iteceğini iddia etmektedirler. (aşağıya bakınız).
• Gravivektör ve graviskalar: Daha sonraları, kuantum kütleçekimi yaratmaktaki zorluklar antimaddenin biraz daha farklı bir şiddetle tepki vereceği fikrini akıllara getirdi.

Deneyler

Süpernova 1987A

Normal kütleçekiminin deneysel kanıtlara faydasından biri de Süpernova 1987A'daki nötrinoların gözlemi oldu. 1987'de dünyanın çeşitli yerlerinden eş zamanlı olarak üç nötrino detektörü Büyük Macellan Bulutunun süpernovasından gelen nötrino akışını gözlemledi ve süpernova 164,000 ışık yılı uzaklıkta olmasına rağmen yine eş zamanlı antinötrino ve nötrino akışı sanal olarak tespit edildi. Eğer ikisi de gerçek anlamda gözlemlenebilmiş olsaydı, kütleçekimsel etkileşimdeki fark çok küçük olurdu. Nötrino detektörleri antinötrino ile nötrinoyu birbirinden iyi ayırt edemiyor ve aslında ikisi arasında bir fark olmayabilir. Bazı fizikçiler gözlemlenmiş nötirinoların devamlı (sıralı) nötrino olma olasılığının %10'dan az olduğunu iddia etmekte. Diğer bir tahmin ise %1den düşük olduğu yönünde  Ne yazık ki, bu değerlerin geliştirilmesi yakın zaman için pek mümkün değil. Süpernova 1987A'ya en yakın, bilinen son  süpernova (G1.9+0.3)1867'de gerçekleşmişti.

Fairbank deneyleri

Fizikçi elektronların ve pozitronların kütleçekim ivmelerini doğrudan ölçmek için laboratuvar deneyleri yapma girişiminde bulundu. Fakat bu parçacıkların yük/kütle oranı çok büyük olduğu için elektromanyetik etki deneye engel oldu.

Parçacık seviyesindeki kütleçekim kuvvetlerini doğrudan gözlemlemek oldukça zor. Yüklü parçacıklarda, elektromanyetik kuvvet ondan çok daha zayıf olan kütleçekim etkileşimini baskılar. Nötral antimaddedeki antiparçacıkların bile -antihidrojen gibi- deney ekipmanındaki eşlerinden uzak tutulması gerekir ki bu da çok güçlü elektromanyetik alan gerektirir. Bu alan, örneğin atomik formdaki kapandaki, Dünyanın antiparçacığa ve yakınındaki test kütlesine uyguladığı kütleçekimini kolayca baskılayabilecek bir kuvvet üretir. Bütün antiparçacık üretim yöntemleri yüksek enerjili antimadde parçacıklarıyla sonuçlandığı için, kütleçekim etkilerini gözlemlemek için gereken soğutma sistemi detaylı deneysel teknikler ve dikkatli kontrol gerektirir.

Soğuk nötr antihidrojen deneyleri

2010 yılından bu yana soğuk antihidrojen üretimi CERN'deki ATHENA, ATRAP ve ALPHA deneyleriyle mümkün hale geldi. Elektriksel olarak nötr olan bir antihidrojenin, Dünyayla antimadde parçacığı arasındaki kütleçekim etkileşiminin doğrudan ölçümünü mümkün kılması gerekir. 2013'te antihidrojen deneylerinde ALPHA düzeneğinden salınan atomlar serbest düşüşle kabaca antimadde kütleçekimini sınırladılar. Bu kabaca sınırlama göreceli olarak %±100 hassasiyette olduğu için yine kütleçekimin işaretini söyleyebilmek için yetersizdi. Gelecekte yapılacak deneylerde, AEGIS ve GBAR gibi antihidrojen ışınları veya ALPHA gibi sıkıştırılmış antihidrojenler hassasiyeti arttırıp antimadde üzerindeki kütleçekimle ilgili daha net sonuçlara varılmasını sağlayabilir.

Madde ve antimadde arasındaki kütleçekim tepkisine karşıt argümanlar

1932'de antimadde ilk keşfedildiğinde, fizikçiler onun kütleçekime nasıl tepki vereceğini merak ettiler. Yaptıkları analizler de antimaddenin maddeyle aynı mı yoksa tam tersi bir tepki mi  vereceği üzerine  yoğunlaşmıştı. Ortaya atılan birkaç teori bazı fizikçileri antimaddenin maddeyle aynı tepkiyi vermesi gerektiği yönünde düşünmeye itmişti. Onlara göre maddeyle antimadde arasındaki kütleçekim tepkisi mantıksızdı çünkü bunun gerçekleşmesi kütlenin korunumu ve boşluğun kararlılığına ters düşüyordu. Ayrıca Eötvös'ün zayıf eşdeğerlik prensibiyle ilgili test sonuçlarına da uymuyordu. Bu erken teorik yorumların birçoğu sonradan çürütüldü.

Denklik ilkesi

Eşdeğerlik İlkesine göre antimaddeye etki eden kütleçekim normal maddeye etki edenle aynı olmalıdır. Dolayısıyla madde ve antimadde arasında kütleçekimsel bir tepki oluşmaması gerekir. Ayrıca standart model çerçevesinde kendi kendinin antiparçacıkları olan fotonlar, yapılan deneylerde genel görelilik teorisinde tahmin edildiği gibi normal maddenin kütleçekim alanıyla etkileşime girdi. Bu da maddeyle antimaddenin birbirinini ittiğini açıklayacak başka bir teori gerektirdi.

CPT teoremi

CPT teoremine göre (burada C yük, P eşitlik T ise zamanın terse dönümünü temsil etmekte) maddeyle onun antimadde karşılığı arasındaki özellik farkları C-ters dönümü tarafından izah edilebilir. C-ters dönümü kütleyi etkilemediğinden bu teoreme göre maddeyle antimaddeye etki eden kütleçekimsel kütle aynı olmalı. Bu durumda tepkisel kütleçekim bu teoremin dışında kalır çünkü tepkisel kütleçekim olması madde ve antimadde arasındaki gözlemlenebilen kütleçekimin farklı işaretlere sahip olmasını gerektirir.

Morrison savı

1958'de, Philip Morrison antikütleçekiminin enerjinin korunumuna aykırı olacağını iddia etti. Eğer madde ve antimadde zıt kütleçekimlere sahip olsaydı, parçacık-antiparçacık çiftinin boyunu değiştirmek hiç enerji gerektirmezdi. Fakat, ışık kütleçekim potansiyelinde ilerlerken, frekans ve enerjisi yer değiştiriyor. Morrison'a göre enerji madde ve antimaddenin tek yükseklikte üretilip sonra yükseltilmesiyle oluşuyor, çünkü foton üretiminde harcanan enerji onu yok etmek için gereken enerjiden daha azdı. Ancak daha sonradan antikütleçekimin termodinamiğin ikinci yasasına aykırı olmadığı bulundu.

Schiff savı

Daha sonra, 1958 yılında, Leonard l. Schiff antikütleçekimin Eötvös'ün deneyinin sonuçlarına ters düştüğünü göstermek için kuantum alan teorisini kullandı. Ancak, Schiff'in kullandığı renormalizasyon tekniği çok ağır eleştirildi ve çalışması yetersiz görüldü. 2014'te aynı iddia Cabbolet tarafından tekrar ortaya atıldı ama bu sadece standart modelle kütleçekimsel tepki arasındaki uyuşmazlığı göstermekle kaldı.

Good savı

1961'de, Myron L. Good antikütleçekimin kaonların yenilenmesi sırasında kabul edilemez çoklukta CP(elektrik yükü ve eşitlik) bozunumu gözlemlenmesi sonucu ortaya çıkacağını iddia etti. O zamanlar henüz gözlemlenmemişti ama Good'un iddiasının büyük potansiyel taşıdığı düşünüldü. bu iddianın göreceli potansiyel bakımından yeniden düzenlenmesiyle bu bozunumun bir miktar kaon yenilenmesi sonucu ortaya çıkabileceğini buldu. Sonrasında kendi K mezon modelini temel alarak antikütleçekimin aslında CP bozunumunun potansiyel açıklaması olduğunu iddia etti. Vardığı sonuçlar 1992'ye kadar sadece iddia olarak kaldı fakat sonrasında B mezonlarındaki CP bozunumu üzerine yapılan çalışmalar bu açıklamaların doğru olmadığını gösterdi.

Gerard 't Hooft savı

Gerardus 't Hooft'a göre, her fizikçi kütleçekimsel tepki fikrindeki problemi fark eder: eğer bir topu geri düşmesi için yukarı atarsak, yaptığı hareket simetrik olur; ve bu yüzden, top zıt zaman boyutunda da aşağı düşer. Madde parçacığı zıt zaman boyutunda antiparçacık olduğu için, Hooft'un iddiasına göre antimadde Dünyaya normal maddeymiş gibi düşer. Fakat, Cabbolet bunun hatalı olduğunu ve sadece antimaddenin antidünyaya düştüğünü kanıtladığını söyledi. 

Kütleçekim tepkisiyle ilgili teoriler

• Madde-antimadde arasındaki kütleçekim tepkisiyle ilgili klasik fiziksel olmayan ilk ilkeler Cabbolet tarafından yayımlandı. Yeni matematiksel biçimlerin, fiziksel konseptlerin olduğu, kuantum mekaniği ve genel görelilikle pek uyuşmayan fizik için yeni bir dil kullandığı Temel İşleyiş Teorisini tanıttı. Fikrinin temeli elektron, proton, nötron ve onların antimadde karşılıkları gibi kütlesi sıfır olmayan parçacıkların, parçacık ve dalga arasındaki geçiş adımını ortaya koymalarıdır. Kütleçekim dalga benzeri durumdadır ve teoriye göre protonun dalga benzeri durumuyla antiprotonunki Dünyanın kütleçekim alanına farklı tepki verebilir.
• Ek olarak, Villata antimaddenin antikütleçekiminin CPT teoremi ile genişletilmiş Genel Göreliliğin habercisi olduğunu iddia etti. Bu teorinin temeli C(yük), P(eşitlik) ve T(ters zaman) işleçlerinin, antimadde ve kütleçekim alanı içindeki normal maddenin davranışlarını açıklamayı sağlaması için yeni bir eşitlik bulmak adına genel görelilik eşitliklerinde kullanılabilir olması. Bu yeni eşitlik, madde ve antimaddenin tepkisini öngörebilir. Fakat, bu teorinin uygulama alanının yöntemsel ve ontolojik temelinin mikrokozmosu kapsayamayacağı düşünüldü. Bu düşünceler hemen sonrasında Villata tarafından azledildi.

Başka yazarlar madde-antimadde arası kütleçekim tepkisini kozmolojik gözlemleri açıklamak için kullansalar da bunlar kütleçekim tepkisinin fiziksel ilkelerine uymamaktadır.

Ayrıca bakınız

• AEgİS
• Karanlık enerji
• Karanlık madde
• Genel görecelik (kütlenin uzay-zamanda sebep olduğu bükülme, kütleçekim)

Kaynakça

1. ^ Andresen, G. B.; Ashkezari, M. D.; Baquero-Ruiz, M.; Bertsche, W.; Bowe, P. D.; Butler, E.; Cesar, C. L.; Chapman, S.; Charlton, M.; Deller, A.; Eriksson, S.; Fajans, J.; Friesen, T.; Fujiwara, M. C.; Gill, D. R.; Gutierrez, A.; Hangst, J. S.; Hardy, W. N.; Hayden, M. E.; Humphries, A. J.; Hydomako, R.; Jenkins, M. J.; Jonsell, S.; Jørgensen, L. V.; Kurchaninov, L.; Madsen, N.; Menary, S.; Nolan, P.; Olchanski, K.; Olin, A. (2010). "Trapped antihydrogen". Nature. 468 (7324). ss. 673-676. Bibcode:2010Natur.468..673A. doi:10.1038/nature09610. (PMID) 21085118. 
2. ^ Andresen, G. B.; Ashkezari, M. D.; Baquero-Ruiz, M.; Bertsche, W.; Bowe, P. D.; Butler, E.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Deller, A.; Eriksson, S.; Fajans, J.; Friesen, T.; Fujiwara, M. C.; Gill, D. R.; Gutierrez, A.; Hangst, J. S.; Hardy, W. N.; Hayano, R. S.; Hayden, M. E.; Humphries, A. J.; Hydomako, R.; Jonsell, S.; Kemp, S. L.; Kurchaninov, L.; Madsen, N.; Menary, S.; Nolan, P.; Olchanski, K.; Olin, A.; Pusa, P. (2011). "Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds". Nature Physics. 7 (7). s. 558. arXiv:1104.4982 $2. Bibcode:2011NatPh...7..558A. doi:10.1038/NPHYS2025. 
3. ^ Gabrielse, G.; Kalra, R.; Kolthammer, W. S.; McConnell, R.; Richerme, P.; Grzonka, D.; Oelert, W.; Sefzick, T.; Zielinski, M.; Fitzakerley, D. W.; George, M. C.; Hessels, E. A.; Storry, C. H.; Weel, M.; Müllers, A.; Walz, J. (2012). "Trapped Antihydrogen in Its Ground State". Physical Review Letters. 108 (11). arXiv:1201.2717 $2. Bibcode:2012PhRvL.108k3002G. doi:10.1103/PhysRevLett.108.113002. 
4. ^ Amole, C.; Ashkezari, M. D.; Baquero-Ruiz, M.; Bertsche, W.; Butler, E.; Capra, A.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Eriksson, S.; Fajans, J.; Friesen, T.; Fujiwara, M. C.; Gill, D. R.; Gutierrez, A.; Hangst, J. S.; Hardy, W. N.; Hayden, M. E.; Isaac, C. A.; Jonsell, S.; Kurchaninov, L.; Little, A.; Madsen, N.; McKenna, J. T. K.; Menary, S.; Napoli, S. C.; Nolan, P.; Olin, A.; Pusa, P.; Rasmussen, C. Ø; Robicheaux, F.; Sarid, E.; Silveira, D. M.; So, C.; Thompson, R. I.; van der Werf, D. P.; Wurtele, J. S.; Zhmoginov, A. I.; Charman, A. E. (2013). "Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen". Nature Communications. Cilt 4. s. 1785. Bibcode:2013NatCo...4E1785A. doi:10.1038/ncomms2787. (PMC) 3644108 $2. (PMID) 23653197. 
5. ^ Goldman, Hughes and Nieto, "Gravity and antimatter", Scientific American, volume 258, March 1988, pages 48-56.
6. ^ S. Pakvasa, W. A. Simmons, and T. J. Weiler, Test of equivalence principle for neutrinos and antineutrinos, Physical Review Letters D 39, (1989) pages 1761-1763.
7. ^ The Youngest Galactic Supernova Remnant 23 Ekim 2018 tarihinde Wayback Machine sitesinde . Accessed February 24, 2009
8. ^ Amole, C.; Charman, M. D.; Amole, M.; Ashkezari, W.; Baquero-Ruiz, E.; Bertsche, A.; Butler, C. L.; Capra, M.; Cesar, S.; Charlton, J.; Eriksson, T.; Fajans, M. C.; Friesen, D. R.; Fujiwara, A.; Gill, J. S.; Gutierrez, W. N.; Hangst, M. E.; Hardy, C. A.; Hayden, S.; Isaac, L.; Jonsell, A.; Kurchaninov, N.; Little, J. T. K.; Madsen, S.; McKenna, S. C.; Menary, P.; Napoli, A.; Nolan, P.; Olin, C. Ø.; Pusa, F. (2013). "Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen". Nature Communications. Cilt 4. ss. 1785-. Bibcode:2013NatCo...4E1785A. doi:10.1038/ncomms2787. (PMC) 3644108 $2. (PMID) 23653197. 
9. ^ Amos, Jonathan (6 Haziran 2011). "BBC News - Antimatter atoms are corralled even longer". Bbc.co.uk. 13 Kasım 2014 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 3 Eylül 2013. 
10. ^ ^{a b} M.M. Nieto and T. Goldman, The arguments against "antigravity" and the gravitational acceleration of antimatter, Physics Reports 205 (1991) 221-281. -note: errata issued in 1992 in volume 216
11. ^ ^{a b} M.J.T.F. Cabbolet Elementary Process Theory: a formal axiomatic system with a potential application as a foundational framework for physics underlying gravitational repulsion of matter and antimatter 3 Ağustos 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Annalen der Physik 522(10), 699-738 (2010)
12. ^ P. Morrison, Approximate Nature of Physical Symmetries American Journal of Physics 26 (1958) 358-368.
13. ^ G. Chardin, CP violation and antigravity (revisited), Nuclear Physics A 558 (1993) 477c.
14. ^ L.I. Schiff, Proceedings of the National Academy of Sciences 45 (1959) 69; Sign of the Gravitational Mass of a Positron, Physical Review Letters 1 (1958) 254-255.
15. ^ M.J.T.F. Cabbolet, Incompatibility of QED/QCD and repulsive gravity, and implications for some recent approaches to dark energy 11 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Astrophysics and Space Science 350(2),777-780 (2014)
16. ^ Myron L. Good, K20 and the Equivalence Principle 27 Eylül 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Physical Review 121 (1961) 311-313.
17. ^ G. Chardin and J.-M. Rax, CP violation.
18. ^ G. 't Hooft, Spookrijders in de wetenschap (in Dutch) 17 Nisan 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., DUB (2014)
19. ^ M.J.T.F. Cabbolet, 't Hooft slaat plank mis over spookrijders (in Dutch) 1 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., DUB (2014)
20. ^ M.J.T.F. Cabbolet Addendum to the Elementary Process Theory 3 Ağustos 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Annalen der Physik 523(12),990-994 (2011)
21. ^ M. Villata, CPT symmetry and antimatter gravity in general relativity 15 Ağustos 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., 2011, EPL (Europhysics Letters) 94, 20001
22. ^ M. Villata, On the nature of dark energy: the lattice Universe 4 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., 2013, Astrophysics and Space Science 345, 1.
23. ^ M. Villata, The matter-antimatter interpretation of Kerr spacetime 3 Mayıs 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., 2015, Annalen der Physik 527, 507.
24. ^ M.J.T.F. Cabbolet, Comment to a paper of M. Villata on antigravity^[] Astrophysics and Space Science 337(1), 5-7 (2012)
25. ^ M. Villata, Reply to "comment to a paper of M. Villata on antigravity" 4 Haziran 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde . Astrophysics and Space Science 337(1), 15-17 (2012)
26. ^ L. Blanchet, A. le Tiec, Model of dark matter and dark energy based on gravitational polarization 11 Aralık 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Physical Review D 78, 024031 (2008)
27. ^ D.S. Hajdukovic, Is dark matter an illusion created by the gravitational polarization of the quantum vacuum? 4 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Astrophysics and Space Science 334(2), 215--218 (2011)
28. ^ A. Benoit-Lévy and G. Chardin, Introducing the Dirac-Milne universe 18 Şubat 2014 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., Astronomy and Astrophysics 537, A78 (2012)