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.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.

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.

Fizikçi William Fairbank 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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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 CP bozunumu henüz gözlemlenmemişti ama Good'un iddiasının büyük potansiyel taşıdığı düşünüldü. Gabriel Chardin 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.

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.

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.