반물질의 중력 상호작용

Gravitational interaction of antimatter
반물질
A Feynman diagram showing the annihilation of an electron and a positron (antielectron), creating a photon that later decays into an new electron–positron pair.
반입자

오니아

개념과 현상
장치들
사용하다
사람과 몸

반물질과 물질 또는 반물질의 중력적 상호작용은 물리학자들에 의해 관찰되어 왔습니다.[1]이전에 물리학자들의 의견이 일치했듯이, 중력이 실험 오차 내에서 물질과 반물질을 같은 속도로 끌어당긴다는 것이 실험적으로 확인되었습니다.

반물질의 희귀성과 물질과 접촉하면 소멸되는 경향은 그 연구를 기술적으로 어려운 과제로 만듭니다.게다가 중력은 다른 기본적인 힘보다 훨씬 약한데, 물리학자들이 여전히 관심을 갖는 이유로, 반물질 시스템을 포함하여 실험실에서 실제로 만들어지기에 충분히 작은 시스템에서 중력을 연구하려는 복잡한 노력이 필요합니다.반물질(특히 반수소)의 생성을 위한 대부분의 방법들은 높은 운동 에너지의 입자와 원자를 발생시키며, 이는 중력 관련 연구에 적합하지 않습니다.[2]

반물질은 중력적으로 물질에 끌립니다.중력의 크기도 같습니다.이것은 에너지와 물질의 중력 등가성과 같은 이론적 논쟁에 의해 예측되며, 반수소에 대해 실험적으로 검증되었습니다.그러나 물질 대 물질 대 반물질의 중력 가속도의 등가성은 약 20%의 오차한계를 갖습니다([1]표 3).양자 중력 모델을 만드는 데 어려움을 겪으면서 반물질이 약간 다른 크기로 반응할 수 있다는 생각이 들었습니다.[3]

중력 인력 이론

반물질이 1932년에 처음으로 발견되었을 때, 물리학자들은 그것이 중력에 어떻게 반응할지 궁금해 했습니다.초기 분석은 반물질이 물질과 동일하게 반응해야 하는지 아니면 반대로 반응해야 하는지에 초점을 맞췄습니다.물리학자들에게 반물질이 정상 물질과 같은 반응을 보일 것이라는 확신을 주는 몇 가지 이론적 논쟁이 일어났습니다.그들은 물질과 반물질 사이의 중력 반발이 CPT 불변성, 에너지 보존, 진공 불안정, CP 위반을 초래할 것이라고 추론했습니다.[citation needed]또한 약한 등가원리의 외트뵈스 시험의 결과와 일치하지 않을 것이라는 이론이 제기되었습니다.이러한 초기의 이론적 반대들 중 많은 것들이 나중에 뒤집혔습니다.[4]

등가원리

등가원리는 질량과 에너지가 중력과 같은 방식으로 반응하기 때문에 물질과 반물질이 중력장에 의해 동일하게 가속될 것이라고 예측합니다.이러한 관점에서 볼 때, 물질-반물질 중력 반발은 있을 것 같지 않습니다.

광자 거동

표준 모형의 틀에서 자체 반입자인 광자는 일반 상대성 이론이 예측한 대로 일반 물질의 중력장과 정확히 상호작용하는 것으로 많은 천문학적 시험(예를 들어 중력 적색편이 및 중력 렌즈)을 수행했습니다.이것은 물질과 반물질이 반발할 것을 예측하는 이론이 설명해야 하는 특징입니다.[citation needed]

CPT 정리

CPT 정리는 물질 입자의 특성과 반물질 상대의 특성 사이의 차이가 C-반전에 의해 완전히 설명된다는 것을 의미합니다.C 반전은 중력 질량에 영향을 미치지 않기 때문에 CPT 정리는 반물질의 중력 질량이 일반 물질의 중력 질량과 동일하다고 예측합니다.[5]반발 중력은 관측 가능한 물질의 중력 질량과 반물질 사이의 부호의 차이를 의미하기 때문에 제외됩니다.[citation needed]

모리슨의 주장

1958년 필립 모리슨은 반중력이 에너지 보존에 위배된다고 주장했습니다.만약 물질과 반물질이 중력장에 반대로 반응한다면, 입자-반입자 쌍의 높이를 바꾸는 데 에너지가 필요하지 않을 것입니다.그러나 중력 퍼텐셜을 통해 이동할 때 빛의 진동수와 에너지가 이동합니다.모리슨은 에너지는 물질과 반물질을 한 높이에서 생성한 다음 더 높은 높이에서 소멸시킴으로써 생성될 것이라고 주장했습니다. 생산에 사용되는 광자는 소멸로 생성된 광자보다 에너지가 적을 것이기 때문입니다.[6]

쉬프의 주장

이후 1958년 L. 쉬프는 양자장이론을 이용하여 반중력이 외트뵈스 실험의 결과와 일치하지 않을 것이라고 주장했습니다.[7]그러나 시프의 분석에 사용된 재규격화 기법은 비판을 많이 받고 있으며, 그의 연구는 결론에 이르지 못한 것으로 평가됩니다.[4]2014년 마르코 카볼레는 표준 모형과 중력 반발의 비호환성을 보여주는 것에 불과하다는 결론을 내렸습니다.[8]

굿스 논법

1961년 마이런 L. 굿은 반중력이 카온의 비정상적인 재생에서 용납할 수 없을 정도로 높은 양의 CP 위반이 관찰될 것이라고 주장했습니다.[9]당시 CP 위반 여부는 아직 확인되지 않았습니다.그러나 굿의 주장은 절대적인 잠재력의 측면에서 표현되었다는 비판을 받고 있습니다.가브리엘 샤르댕은 상대적인 잠재력의 관점에서 논쟁을 다시 표현함으로써 관측과 일치하는 양의 카온 재생을 초래한다는 것을 발견했습니다.[10]그는 K 중간자에 대한 자신의 모델을 바탕으로 반중력이 CP 위반에 대한 잠재적인 설명이라고 주장했습니다.그의 결과는 1992년으로 거슬러 올라갑니다.그러나 그 이후로 B 중간자 시스템에서 CP 위반 메커니즘에 대한 연구는 이러한 설명을 근본적으로 무효화했습니다.[citation needed]

제라드 후프트의 주장

Gerard't Hooft에 따르면, 모든 물리학자들은 중력 반발력에 대한 무엇이 잘못된 것인지 바로 알아차립니다: 만약 공이 공중 높이 던져져서 뒤로 떨어지면, 그 운동은 시간의 반대 방향에서 대칭이 되고, 따라서 공은 또한 시간의 반대 방향으로 떨어집니다.[11]시간 방향의 반대쪽에 있는 물질 입자는 반입자이기 때문에, 이것은 't Hooft'에 따르면 반물질이 "정상적인" 물질과 마찬가지로 지구에 떨어진다는 것을 증명합니다.그러나, Cabbolelet은 'Hooft의 주장은 거짓이며, 반구가 반지구에 떨어진다는 것을 증명할 뿐이며, 이는 논쟁의 여지가 없습니다.[12]

중력 반발 이론

반발 중력이 실험적으로 반박되지 않았기 때문에, 그러한 반발을 가져올 물리적 원리에 대해 추측할 수 있습니다.지금까지 세 가지 근본적으로 다른 이론들이 발표되었습니다.

코윗의 이론

반발중력에 대한 최초의 이론은 마크 코윗이 발표한 양자 이론이었습니다.[13]이 수정된 디랙 이론에서, 코위트는 양전자가 일반적인 디랙 홀 이론처럼 음의 에너지를 가진 전자 바다의 구멍이 아니라 음의 에너지를 가진 전자와 양의 중력 질량을 가진 전자 바다의 구멍이라고 가정했습니다: 이것은 수정된 C-반전을 산출합니다.양전자는 양의 에너지를 가지고 있지만 음의 중력 질량을 가지고 있습니다.반발 중력은 파동 방정식에 추가 항(M φ 및 mA)을 추가함으로써 설명됩니다.이 아이디어는 물질 입자의 중력장에서 움직이는 양전자의 파동함수가 진화하여 시간이 지나면 물질 입자에서 더 멀리 양전자를 찾을 가능성이 높아진다는 것입니다.[citation needed]

산틸리와 빌라타의 이론

반발 중력에 대한 고전 이론은 루게로 산틸리와 마시모 빌라타에 의해 출판되었습니다.[14][15][16][17]두 이론 모두 일반 상대성 이론의 확장이며, 실험적으로 구별할 수 없습니다.일반적인 생각은 중력이 시공간의 곡률로 인해 연속적인 입자 궤적의 편향이지만 반입자는 역 시공간에서 '살아있다'는 것입니다.반입자의 운동방정식은 C, P, T 연산자(빌라타)를 적용하거나 동일한 것에 해당하는 등분지도(산틸리)를 적용하여 일반 입자의 운동방정식으로부터 얻어집니다. 반입자의 운동방정식은 물질과 반물질의 반발을 예측합니다.관측된 반입자의 궤적은 역 시공간 내의 실제 궤적에 대한 우리의 시공간의 투영이라는 것을 알아야 합니다.그러나 빌라타 이론의 적용 영역을 소우주까지 확장할 수 없다는 방법론적, 존재론적 근거들로 주장되어 왔습니다.[18]이러한 반대는 이후 빌라타에 의해 기각되었습니다.[19]

카보레의 이론

물질-반물질 중력 반발의 기초가 되는 최초의 고전적이지 않은, 양자적이지 않은 물리적 원리는 Marcoen Cabbole에 의해 출판되었습니다.[5][20]그는 물리학에 새로운 언어, 즉 새로운 수학적 형식주의와 새로운 물리적 개념을 사용하고 양자역학과 일반 상대성 이론 모두와 양립할 수 없는 기초 과정 이론을 소개합니다.핵심 아이디어는 전자, 양성자, 중성자 및 반물질 입자와 같은 0이 아닌 정지 질량 입자가 입자와 같은 정지 상태와 파동과 같은 운동 상태를 번갈아 가면서 단계적 운동을 나타낸다는 것입니다.중력은 파동과 같은 상태에서 일어나고, 예를 들어 이론은 양성자와 반양성자의 파동과 같은 상태가 지구의 중력장과 다르게 상호작용하도록 허용합니다.[citation needed]

분석.

추가 저자들은[21][22][23] 우주론적 관측을 설명하기 위해 물질-반물질 중력 반발력을 사용했지만, 이 출판물들은 중력 반발력의 물리적 원리를 다루지 않습니다.

실험

1987A 초신성

정상 중력을 지지하는 실험적 증거 중 하나는 1987A 초신성의 중성미자의 관측이었습니다.1987년, 세 개의 중성미자 탐지기가 동시에 거대 마젤란운에서 초신성에서 뿜어져 나오는 일련의 중성미자를 관측했습니다.이 초신성은 약 164,000광년 떨어진 곳에서 발생했지만, 중성미자와 중성미자 둘 다 사실상 동시에 감지된 것으로 보입니다.[clarification needed]만약 둘 다 실제로 관찰된다면 중력 상호작용의 차이는 매우 작아야 할 것입니다.그러나 중성미자 검출기는 중성미자와 반중성미자를 완벽하게 구별할 수 없습니다.일부 물리학자들은 규칙적인 중성미자가 전혀 관찰되지 않았을 확률이 10% 미만이라고 보수적으로 추정합니다.다른 사람들은 심지어 더 낮은 확률을 추정하기도 합니다. 어떤 사람들은 1%[24] 정도로 낮은 확률도 있습니다.불행히도, 이 정확도는 곧 실험을 복제한다고 해서 개선될 것 같지는 않습니다.1987A 초신성 이전에 그렇게 가까운 거리에서 일어난 것으로 알려진 마지막 초신성은 1867년경이었습니다.[25]

냉간 중성 수소 실험

2010년부터 CERN의 안티프로톤 감속기에서 냉온항수소 생산이 가능해졌습니다.전기적으로 중성인 반수소는 반물질 입자가 지구의 물질에 미치는 중력을 직접적으로 측정할 수 있게 해야 합니다.[citation needed]

반수소 원자는 CERN, 처음에는 ALPHA[26][27], 그 다음에는 ATRAP에 갇혔습니다.[28] 2012년에 ALPHA는 반물질과 물질의 중력 상호작용에 대한 첫 번째 자유낙하 느슨한 경계를 설정하기 위해 이러한 원자를 사용했습니다. 일반 중력의 ±7500% 이내로 측정되었으며 반물질에 작용하는 중력의 신호에 대한 명확한 과학적 진술에는 충분하지 않습니다.[29][citation needed]앞으로의 실험은 수소 방지 빔(AEG)을 사용하여 더 높은 정밀도로 수행해야 합니다.IS) 또는 포획된 안티수소(ALPHA 또는 GBAR)를 사용합니다.[citation needed]

2013년 알파 트랩에서 방출된 반수소 원자에 대한 실험은 반물질 중력에 대한 직접적인 자유낙하, 즉 대략적인 한계를 설정했습니다.[29]이러한 한계는 ±100%의 상대적 정밀도를 가진 거친 것으로, 반물질에 작용하는 중력의 신호에 대해서도 명확한 진술과는 거리가 멀었습니다.AEgIS와 같은 반수소 빔이나 알파 및 지바와 같은 갇혀있는 반수소 빔에 대한 CERN의 향후 실험은 반물질에 대한 중력에 대한 명확하고 과학적인 진술을 하기 위해 민감도를 향상시켜야 합니다.[30]

참고 항목

참고문헌

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