التفاعل الجاذبي للمادة المضادة

يتنبأ مبدأ التكافؤ بأن الكتلة والطاقة تتفاعلان بنفس الطريقة مع الجاذبية، وبالتالي فإن المادة والمادة المضادة ستتسارعان بنفس المقدار بفعل مجال الجاذبية. من هذا المنطلق، فإن التنافر الجاذبي بين المادة والمادة المضادة غير مرجح.

الفوتونات ، التي تُعتبر جسيماتها المضادة في إطار النموذج القياسي ، لوحظ في عدد كبير من التجارب الفلكية ( مثل الانزياح الأحمر التثاقلي وعدسات الجاذبية ) أنها تتفاعل مع مجال جاذبية المادة العادية تمامًا كما تنبأت به النظرية النسبية العامة . هذه سمة يجب أن تفسرها أي نظرية تتنبأ بتنافر المادة والمادة المضادة.

تنص نظرية CPT على أن الفرق بين خصائص جسيم المادة وخصائص نظيره من المادة المضادة يُفسَّر بالكامل بانعكاس C. ولأن هذا الانعكاس لا يؤثر على الكتلة الجاذبية، تتنبأ نظرية CPT بأن الكتلة الجاذبية للمادة المضادة هي نفسها الكتلة الجاذبية للمادة العادية. ^{[ 5 ]} وبذلك يُستبعد وجود جاذبية تنافرية، لأن ذلك سيؤدي إلى اختلاف في الإشارة بين الكتلة الجاذبية المرصودة للمادة والمادة المضادة.

في عام ١٩٥٨، جادل فيليب موريسون بأن الجاذبية المضادة ستخالف قانون حفظ الطاقة . فإذا استجابت المادة والمادة المضادة بشكل معاكس لحقل الجاذبية، فلن يتطلب تغيير ارتفاع زوج من الجسيمات والجسيمات المضادة أي طاقة. ومع ذلك، عند التحرك عبر جهد جاذبي، يتغير تردد الضوء وطاقته. جادل موريسون بأن الطاقة ستُخلق من خلال إنتاج المادة والمادة المضادة عند ارتفاع معين ثم إفنائها عند ارتفاع أعلى، لأن الفوتونات المستخدمة في الإنتاج ستكون طاقتها أقل من طاقة الفوتونات الناتجة عن الإفناء. ^{[ ٦ ]}

في وقت لاحق من عام 1958، استخدم ل. شيف نظرية الحقل الكمومي ليجادل بأن الجاذبية المضادة تتعارض مع نتائج تجربة إيوتفوس . ^{[ 7 ]} ومع ذلك، فإن تقنية إعادة التطبيع المستخدمة في تحليل شيف تتعرض لانتقادات شديدة، ويُنظر إلى عمله على أنه غير حاسم. ^{[ 4 ]} في عام 2014، أعاد ماركوين كابوليه طرح الحجة، وخلص إلى أنها تُظهر فقط عدم توافق النموذج القياسي مع التنافر الجاذبي. ^{[ 8 ]}

في عام 1961، جادل مايرون إل. غود بأن الجاذبية المضادة ستؤدي إلى رصد كمية كبيرة غير مقبولة من انتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) في التجدد الشاذ للكاونات . ^{[ 9 ]} في ذلك الوقت، لم يكن انتهاك تناظر الشحنة الزوجية قد رُصد بعد. ومع ذلك، وُجهت انتقادات لحجة غود لكونها مُعبر عنها بدلالة الكمونات المطلقة. من خلال إعادة صياغة الحجة بدلالة الكمونات النسبية، وجد غابرييل شاردان أنها أدت إلى كمية من تجدد الكاونات تتوافق مع الرصد. ^{[ 10 ]} جادل بأن الجاذبية المضادة تُعد تفسيرًا محتملاً لانتهاك تناظر الشحنة الزوجية استنادًا إلى نماذجه على ميزونات K. تعود نتائجه إلى عام 1992. منذ ذلك الحين، أدت الدراسات التي تناولت آليات انتهاك تناظر الشحنة الزوجية في أنظمة ميزونات B إلى دحض هذه التفسيرات بشكل جذري.

بحسب جيرارد هوفت ، يُدرك كل فيزيائي فورًا خطأ فكرة التنافر الجاذبي: إذا قُذفت كرةٌ عاليًا في الهواء بحيث تسقط عائدةً، فإن حركتها تكون متناظرةً عند عكس الزمن؛ وبالتالي، تسقط الكرة أيضًا في الاتجاه الزمني المعاكس. ^{[ 11 ]} وبما أن جسيم المادة في الاتجاه الزمني المعاكس هو جسيم مضاد، فإن هذا يُثبت، وفقًا لهوفت، أن المادة المضادة تسقط على الأرض تمامًا مثل المادة "العادية". مع ذلك، ردّ كابوليه بأن حجة هوفت خاطئة، ولا تُثبت إلا أن كرةً مضادةً تسقط على أرض مضادة - وهو ما لا تُعارضه معظم النظريات حول التنافر الجاذبي بين المادة والمادة المضادة. ومع ذلك، يُمكن استخدام حجة هوفت ضد نظرية ديراك-ميلن ^{[ 12 ]} حيث تتنافر المادة المضادة جاذبيًا مع كلٍ من المادة والمادة المضادة. ^{[ 13 ]}

كانت أول نظرية للجاذبية التنافرية نظرية كمومية نشرها مارك كويت. ^{[ 14 ]} في هذه النظرية المعدلة لديراك، افترض كويت أن البوزيترون ليس ثقبًا في بحر الإلكترونات ذات الطاقة السالبة كما في نظرية ثقب ديراك المعتادة، بل هو ثقب في بحر الإلكترونات ذات الطاقة السالبة والكتلة الجاذبية الموجبة: ينتج _{عن هذا انعكاس C معدل، حيث يمتلك البوزيترون طاقة موجبة ولكن كتلة جاذبية سالبة} . تُوصف الجاذبية التنافرية بإضافة حدود إضافية ( mgΦg و mgAg ) إلى معادلة الموجة. الفكرة هي أن دالة الموجة للبوزيترون المتحرك في مجال جاذبية جسيم _{مادي تتطور بحيث يصبح} من المرجح مع مرور الوقت العثور _على البوزيترون بعيدًا عن الجسيم المادي .

نُشرت النظريات الكلاسيكية للجاذبية التنافرية بواسطة روجيرو سانتيللي وماسيمو فيلاتا . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} تُعدّ كلتا النظريتين امتدادًا للنسبية العامة ، ولا يمكن التمييز بينهما تجريبيًا. تبقى الفكرة العامة أن الجاذبية هي انحراف مسار جسيم متصل نتيجة انحناء الزمكان، لكن الجسيمات المضادة "توجد" في زمكان معكوس. تُستنتج معادلة حركة الجسيمات المضادة من معادلة حركة الجسيمات العادية بتطبيق المؤثرات C وP وT (فيلاتا) أو بتطبيق الخرائط المتساوية (سانتيللي)، وهو ما يُؤدي إلى النتيجة نفسها: إذ تتنبأ معادلة حركة الجسيمات المضادة بتنافر المادة والمادة المضادة. يجب افتراض أن المسارات المرصودة للجسيمات المضادة هي إسقاطات على زمكاننا للمسارات الحقيقية في الزمكان المعكوس. ومع ذلك، فقد طُرحت حججٌ من الناحية المنهجية والوجودية مفادها أن مجال تطبيق نظرية فيلاتا لا يمكن توسيعه ليشمل العالم المصغر. ^{[ 19 ]} وقد رفض فيلاتا هذه الاعتراضات لاحقًا. ^{[ 20 ]}

نشر ماركوين كابوليت أولى المبادئ الفيزيائية غير الكلاسيكية وغير الكمومية التي تقوم عليها ظاهرة التنافر الجاذبي بين المادة والمادة المضادة. ^{[ 5 ] [ 21 ]} وقدّم نظرية العمليات الأولية، التي تستخدم لغة جديدة في الفيزياء، أي صيغة رياضية جديدة ومفاهيم فيزيائية جديدة، وهي غير متوافقة مع كل من ميكانيكا الكم والنسبية العامة. وتتلخص الفكرة الأساسية في أن الجسيمات ذات الكتلة السكونية غير الصفرية، مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات ونظائرها من المادة المضادة، تُظهر حركة متدرجة حيث تتناوب بين حالة سكون شبيهة بالجسيم وحالة حركة شبيهة بالموجة. وبالتالي، تحدث الجاذبية في حالة موجية، وتسمح النظرية، على سبيل المثال، بأن تتفاعل الحالات الموجية للبروتونات والبروتونات المضادة بشكل مختلف مع مجال جاذبية الأرض.

وقد استخدم مؤلفون آخرون ^{[ 12 ] [ 22 ] [ 23 ]} التنافر الجاذبي بين المادة والمادة المضادة لشرح الملاحظات الكونية، لكن هذه المنشورات لا تتناول المبادئ الفيزيائية للتنافر الجاذبي.

كان رصد النيوترينوات المنبعثة من المستعر الأعظم 1987A أحد مصادر الأدلة التجريبية المؤيدة للجاذبية الطبيعية . ففي عام 1987، رصدت ثلاثة أجهزة كشف للنيوترينوات موزعة حول العالم، في آنٍ واحد، سلسلة من النيوترينوات المنبعثة من مستعر أعظم في سحابة ماجلان الكبرى . ورغم أن المستعر الأعظم وقع على بُعد حوالي 164,000 سنة ضوئية ، فقد رُصدت النيوترينوات والنيوترينوات المضادة بشكل متزامن تقريبًا. ولو رُصد كلاهما بالفعل، لكان أي فرق في التفاعل الجاذبي ضئيلاً للغاية. إلا أن أجهزة كشف النيوترينوات لا تستطيع التمييز بدقة تامة بين النيوترينوات والنيوترينوات المضادة. ويُقدّر بعض الفيزيائيين، بشكل متحفظ، أن احتمال عدم رصد أي نيوترينوات عادية على الإطلاق أقل من 10%. بينما يُقدّر آخرون احتمالات أقل، تصل في بعض الأحيان إلى 1%. ^{[ 24 ]} وللأسف، من غير المرجح تحسين هذه الدقة بتكرار التجربة في أي وقت قريب. كان آخر مستعر أعظم معروف حدث على هذا المدى القريب قبل المستعر الأعظم 1987A حوالي عام 1867. ^{[ 25 ]}

منذ عام 2010، أصبح إنتاج الهيدروجين المضاد البارد ممكناً في مسرع البروتونات المضادة في مركز سيرن . ومن المتوقع أن يُمكّن الهيدروجين المضاد، المتعادل كهربائياً، من قياس قوة الجذب الثقالي لجسيمات المادة المضادة على مادة الأرض بشكل مباشر.

تم حصر ذرات الهيدروجين المضاد في مركز سيرن ، أولاً في تجربة ألفا ^{[ 26 ] [ 27 ]} ثم في تجربة أتراب ^{[ 28 ]} ؛ وفي عام 2012، استخدمت تجربة ألفا هذه الذرات لوضع أولى الحدود التقريبية للتفاعل الجاذبي بين المادة المضادة والمادة العادية، حيث بلغت دقة القياس ±7500% من الجاذبية العادية ^{[ 29 ]} ، وهي دقة غير كافية لإصدار بيان علمي واضح حول اتجاه الجاذبية المؤثرة على المادة المضادة. لذا، تتطلب التجارب المستقبلية دقة أعلى، إما باستخدام حزم من الهيدروجين المضاد ( تجربة AEgIS ) أو باستخدام الهيدروجين المضاد المحصور ( تجربة ألفا أو تجربة GBAR ).

في عام 2013، حددت التجارب التي أُجريت على ذرات الهيدروجين المضاد المُحررة من مصيدة ألفا حدودًا تقريبية مباشرة، أي حدود السقوط الحر، لجاذبية المادة المضادة. ^{[ 29 ]} كانت هذه الحدود تقريبية، بدقة نسبية تبلغ ±100%، وبالتالي، فهي بعيدة كل البعد عن تقديم بيان واضح حتى فيما يتعلق بإشارة الجاذبية المؤثرة على المادة المضادة. يتعين على التجارب المستقبلية في سيرن، باستخدام حزم من الهيدروجين المضاد، مثل تجربة AEgIS، أو باستخدام الهيدروجين المضاد المحصور، مثل تجربتي ألفا وGBAR، تحسين الحساسية للتوصل إلى بيان علمي واضح حول تأثير الجاذبية على المادة المضادة. ^{[ 30 ]}

في عام 2023، حقق مشروع ألفا أول نتيجة تثبت أن للمادة المضادة نفس إشارة تسارع السقوط الحر بفعل الجاذبية كما هو الحال بالنسبة للمادة العادية. ^{[ 31 ]}