FISICA: Interazione gravitazionale dell'antimateria

[CENTRO ANTI-BLASFEMIA]

Interazione gravitazionale dell'antimateria
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L'interazione gravitazionale dell'antimateria con la materia o
l'antimateria non è stata conclusivamente osservata dai fisici. Mentre
la stragrande maggioranza tra i fisici concordano sul fatto che
l'antimateria attira sia la materia che l'antimateria nella stessa
proporzione in cui la materia attrae la materia (e l'antimateria), c'è
un forte desiderio di confermare questo sperimentalmente, dato che il
consenso nella scienza non è altro che un'ipotesi aperta alla
falsificazione.

La rarità dell'antimateria e la tendenza ad annichilire quando viene a
contatto con la materia rende il suo studio un compito tecnicamente
impegnativo. La maggior parte dei metodi per la creazione
dell'antimateria (specificamente l'anti-idrogeno) deriva dagli atomi
ad alta energia inutilizzabili per lo studio relativo alla gravità. In
anni recenti, i consorzi ATHENA e ATRAP hanno creato con successo
l'anti-idrogeno a bassa energia, ma le osservazioni sono state finora
metodicamente limitate agli eventi di annichilazione che producono
poco o niente riguardo ai dati gravitazionali.



Tre teorie

Il teorema CPT afferma che l'antimateria dovrebbe attirare
l'antimateria allo stesso modo con il quale la materia attrae la
materia. Tuttavia, ci sono diverse teorie su come l'antimateria
interagisce gravitazionalmente con la materia normale:

Gravità normale: la teoria standard afferma che l'antimateria dovrebbe
cadere esattamente nello stesso modo della materia normale.
Antigravità: la prima analisi teorica ugualmente focalizzata sulla
questione se l'antimateria possa invece respingere con lo stesso
ordine di grandezza. Questo non va confuso con molti altri fenomeni
speculativi che possono allo stesso modo essere definiti
'antigravità'. [senza fonte]
Gravivettore e graviscalare: le difficoltà successive nel creare
teorie sulla gravità quantistica hanno condotto all'idea che
l'antimateria possa reagire con una grandezza leggermente diversa.[1]
Esperimento
Supernova 1987A
Molti scienziati valutano come migliori prove sperimentali a favore
della gravità normale quelle che provengono dalle osservazioni
effettuate sui neutrini provenienti dalla Supernova 1987A. In questo
esperimento basilare, tre rivelatori di neutrini in tutto il mondo
hanno contemporaneamente osservato una cascata di neutrini provenienti
da una supernova della Grande Nube di Magellano. Sebbene la supernova
si verificasse a circa 164.000 anni luce distante, sia i neutrini e
che gli antineutrini potevano essere rilevati quasi simultaneamente.
Se entrambi siano stati effettivamente osservati, allora eventuali
differenze nell'interazione gravitazionale avrebbero dovuto essere
molto piccole. Tuttavia, i rivelatori di neutrini non riuscirono a
distinguere perfettamente tra neutrini e antineutrini. Alcuni fisici
prudenzialmente stimano che vi è meno del 10% di possibilità che i
neutrini non regolari siano stati del tutto osservati. Altri valutano
le probabilità ancora più bassa, alcuni di solo l'1%.[2] Purtroppo,
questa precisione è improbabile che possa essere migliorata duplicando
l'esperimento abbastanza presto. L'ultima supernova conosciuta che si
verificò a così breve distanza fu intorno al 1867.[3]

Esperimenti di Fairbank
Il fisico William Fairbank ha tentato un esperimento di laboratorio
per misurare direttamente l'accelerazione gravitazionale sia degli
elettroni che dei positroni. Tuttavia, il loro rapporto carica-massa è
così grande che gli effetti elettromagnetici stravolgono
l'esperimento.

È difficile osservare direttamente le forze gravitazionali a livello
di particella. A queste piccole distanze, le forze elettriche tendono
a sopraffare l'interazione gravitazionale molto più debole. Inoltre,
le antiparticelle devono essere tenute separate dalle loro equivalenti
normali poiché in caso contrario rapidamente annichilirebbero. Peggio
ancora, i metodi di produzione di antimateria in genere danno
risultati molto energetici inadatti per le osservazioni.
Comprensibilmente, questo ha reso difficile misurare direttamente la
reazione gravitazionale dell'antimateria.

Esperimenti sull'idrogeno neutro freddo
In anni recenti, la produzione di anti-idrogeno freddo è diventata
possibile grazie agli esperimenti ATHENA e ATRAP al CERN. L'anti-
idrogeno, che è elettricamente neutro, dovrebbe permettere di misurare
direttamente l'attrazione gravitazionale delle particelle di
antimateria da parte della materia terrestre.

Dibattito sulla gravità dell'antimateria
Quando l'antimateria fu scoperta nel 1932, i fisici si chiedevano come
avrebbe reagito alla gravità. Una prima analisi si veniva a
focalizzare sulla questione se l'antimateria reagisse allo stesso modo
della materia o in senso opposto. I vari problemi teorici che
sorgevano convinsero i fisici che l'antimateria avrebbe reagito
esattamente come la materia ordinaria, deducendo così che una
repulsione gravitazionale tra materia e antimateria non sarebbe stata
plausibile in quanto avrebbe violato l'invarianza CPT, la
conservazione dell'energia, provocando l'instabilità nel vuoto e la
violazione CP. Venne anche teorizzato che sarebbe stata incoerente con
i risultati del test di Eötvös riguardo al principio di equivalenza
debole. Molte di queste prime obiezioni teoriche furono
successivamente rovesciate.[4]

Ipotesi di Morrison
Nel 1958, Philip Morrison sosteneva che l'antigravità avrebbe violato
la legge sulla conservazione dell'energia. Se materia e antimateria
rispondevano in modo opposto a un campo gravitazionale, allora non ci
vorrebbe nessuna energia per modificare l'altezza di una coppia
particella-antiparticella. Tuttavia, quando ci si muove attraverso un
potenziale gravitazionale, la frequenza e l'energia della luce vengono
spostate. Morrison sosteneva che l'energia sarebbe stato creata
tramite la produzione di materia e antimateria ad una altezza e
annichilendola più in alto, dal momento che i fotoni utilizzati per la
produzione avrebbero meno energia dei fotoni prodotti
dall'annichilazione.[5] Tuttavia, più tardi si scoprì che
l'antigravità non violava ancora la seconda legge della termodinamica.
[6]

Il principio dell'equivalenza
Se si può inventare una teoria in cui materia e antimateria si
respingono l'un l'altra, che cosa si prevede per le cose che non sono
né materia né antimateria? I fotoni sono le loro stesse
antiparticelle, e sotto tutti gli aspetti si comportano esattamente in
modo simmetrico rispetto alle particelle di materia e di antimateria.
In un gran numero di test di laboratorio e astronomici, (come per lo
spostamento verso il rosso gravitazionale e le lenti gravitazionali)
si osservano i fotoni attratti dalla materia, esattamente in accordo
con la teoria della relatività generale. È possibile trovare atomi e
nuclei il cui contenuto di particelle elementari è lo stesso, ma le
cui masse sono diverse. Per esempio, 4 atomi di elio pesano meno di 2
atomi di deuterio a causa della differente energia che li lega. Si
osserva che la costante della forza gravitazionale è la stessa, fino
ai limiti della precisione sperimentale, per tutti questi diversi
materiali, suggerendo che l'"energia di legame" — la quale, come per
il fotone, non fa distinzione tra materia e antimateria — sperimenta
la stessa forza gravitazionale della materia. Questo concorda di nuovo
con la teoria della relatività generale e difficilmente si riconcilia
con qualsiasi teoria che prevede che materia e antimateria si
respingono.

Ipotesi di Schiff
Più tardi nel 1958, L. Schiff sfruttava la teoria quantistica dei
campi per sostenere che l'antigravità sarebbe incoerente con i
risultati dell'esperimento Eötvös.[7] Tuttavia, la tecnica di
rinormalizzazione utilizzata per l'analisi di Schiff è stata
fortemente criticata e il suo lavoro è visto come inconcludente.[4]

Ipotesi di Good
Nel 1961, Myron Good sosteneva che l'antigravità avrebbe comportato
l'osservazione di una inacettabile elevata quantità di violazione CP
nella rigenerazione anomala di kaoni.[8] Al momento, la violazione CP
non era ancora stata osservata. Tuttavia, l'ipotesi di Good viene
criticata per essere stata espressa in termini di potenziali assoluti.
Con la riformulazione dell'argomento in termini di potenziali
relativi, Gabriel Chardin trovò che esso si risolveva in una quantità
di rigenerazione di Kaoni in accordo con l'osservazione.[9] Good
sostiene che l'antigravità è in realtà una spiegazione potenziale
della violazione CP.

La disputa su E = mc²
In un certo senso questo è l'argomento più semplice e potente. I
fisici osservano di routine che l'energia ordinaria come un fotone
gamma adeguato può essere convertito in un elettrone e in un anti-
elettrone, secondo la famosa equazione di Einstein ("produzione di
coppia"). Essi hanno inoltre osservato che esattamente metà
dell'energia ordinaria del fotone appare come l'elettrone, e, a causa
della legge di conservazione dell'energia, l'altra metà dell'energia
ordinaria del fotone deve diventare quella dell'anti-elettrone.
Osservazioni analoghe valgono per tutte le altre particelle
dell'antimateria. Questo significa che tutte le particelle di anti-
materia devono essere costituite di energia ordinaria, implicando
fortemente che la loro interazione gravitazionale debba essere proprio
come quella delle particelle della materia ordinaria. È remotamente
possibile che qualche altro aspetto delle anti-particelle, oltre al
fatto di essere costituite di energia ordinaria, possa causare loro un
comportamento diverso in un campo gravitazionale ordinario, ma ci sono
pochissime candidate per quello che potrebbe essere quest'altro
aspetto delle anti-particelle.

Motivazioni per l'antigravità
I fautori sostengono che l'antigravità dell'antimateria spiegherebbe
alcune questioni importanti della fisica. Oltre alla già citata
previsione della violazione di CP, essi sostengono che spiega due
paradossi cosmologici. Il primo è l'apparente mancanza di antimateria
locale: in teroia antimateria e materia si respingerebbero l'un
l'altra gravitazionalmente, formando galassie separate di materia e
antimateria, le quali per di più, tendono a respingersi l'un l'altra,
evitando perciò possibili collisioni e annichilazione.

Questa stessa repulsione galattica è anche sostenuta come una
spiegazione potenziale per l'osservazione di un universo decisamente
in accelerazione. Se la gravità è sempre attrattiva, ci si potrebbe
aspettare che l'espansione dell'universo rallenti e alla fine si
contrai in un big crunch. Utilizzando le osservazioni dello
spostamento verso il rosso, gli astronomi e i fisici stimano che,
invece, la dimensione dell'universo è in espansione e la velocità di
espansione è in accelerazione ad un tasso grosso modo costante.
Diverse teorie sono state proposte per spiegare questa osservazione
nel contesto di una gravità sempre attrattiva. D'altra parte, i
sostenitori dell'antigravità sostengono che se reciprocamente
repulsive, quantità uguali di materia e antimateria compenserebbero
precisamente qualsiasi attrazione.[10][11]

Note
^ (EN) Goldman, Hughes and Nieto, "Gravity and antimatter", Scientific
American, volume 258, March 1988, pages 48-56.
^ (EN) 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.
^ (EN) The Youngest Galactic Supernova Remnant Accessed February 24,
2009
^ a b (EN) 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
^ (EN) P. Morrison, Approximate Nature of Physical Symmetries American
Journal of Physics 26 (1958) 358-368.
^ (EN) G. Chardin, CP violation and antigravity (revisited), Nuclear
Physics A 558 (1993) 477c.
^ (EN) 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.
^ (EN) Myron L. Good, K20 and the Equivalence Principle, Physical
Review 121 (1961) 311-313.
^ (EN) G. Chardin and J.-M. Rax, CP violation. A matter of
(anti)gravity?, Physics Letters B 282 (1992) 256-262. Also available
here.
^ (EN) G. Chardin, Gravitation, C, P and T symmetries and the Second
Law, DSM/DAPNIA/SPP, 2002.
^ (EN) J. M. Ripalda, Accelerated expansion and time reversal symmetry
in general relativity, ArXiv.org gr-qc/9906012.
Fonti
(EN) A.P. Mills Jr., M Leventhal, Can we measure gravitational free
fall of cold Rydberg state positronium?, Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research B 192 (2002) pp102–106. (experiment
proposal.)
(EN) Thomas J. Phillips, A Technique for Directly Measuring the
Gravitational Acceleration of Antihydrogen, (undated).
(EN) Thomas J. Phillips, Antimatter Gravity Experiment, (undated).
(proposal for an experiment to measure the gravitational attraction of
antihydrogen using interferometric techniques.)
(EN) Micheal Martin Nieto, T. Goldman, John D. Anderson, Eunice L.
Lau, J Perez-Mercader, Theoretical Motivation for Gravitation
Experiments on Ultra-low Energy Antiprotons and AntiHydrogen, (1994),
ArXiv hep-ph/9412234
(EN) G. Chardin, Motivations for antigravity in General Relativity,
Hyperfine Interactions, volume 109, issue 1 - 4, March 1997, pages 83
– 94.
http://it.wikipedia.org/wiki/Interazione_gravitazionale_dell%27antimateria