אינטראקציה כובדית של אנטי חומר

אינטראקציה כובדית של אנטי חומר (באנגלית: Gravitational interaction of antimatter) מתארת כיצד פועל כוח הכבידה על חלקיקי אנטי חומר.

אינטראקציה זו טרם נמדדה בידי פיזיקאים ונחקרת כיום במקומות שונים. מציאת הפוזיטרון, שהוכיחה את התאוריה של דירק (אנ') ב-1932, החלה עידן חדש בפיזיקה של חלקיקים מסוג אחר. בעשרות שנים האחרונות קהילת החוקרים העולמית מראה מגמת עלייה בחקר המרכיבים של החומר והאנטי חומר, השפעותיהן על הסביבה ואחד על השני.

מאיץ חלקיקי אנטי חומר במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN. במאיץ זה יוצרים את חלקיקי האנטי חומר ובונים אנטי-מימן על מנת לחקור את תכונותיו.

מבוא

כדי להוכיח את קיומה של האינטראקציה הגרביטציונית פיזקאים מכל רחבי העולם עושים עבודה תאורטית רבה יחד עם פיתוח ניסויים גדולים כדי למצוא את המודל התאורטי המתאים ביותר לתיאור האטום בפרט והעולם כולו בכלל.

יש חוקרים הסוברים כי כפי שחלק מהתכונות של החומר הפוכות מתכונות החומר של אנטי חומר, כך גם שדה הכבידה של האנטי חומר יהיה הפוך לעומת שדה הכבידה של החומר. לאנטי שדה כבידה העולה מהשערה זו יש השפעות עמוקות על התאוריות המוכרות לנו כיום. אחת הבעיות הקשות ביותר בקוסמולוגיה כיום שניתנת לפתרון על ידי הוכחת הסברה היא מדוע היקום מורכב מחומר ולא אנטי חומר, והאינטראקציה הגרביטציונית יכולה להיות בלב התאוריה שתענה על השאלה.

בשנים האחרונות תוכננו ונערכו הרבה ניסויים על מנת לבדוק את התאוצה של אנטי חומר בשדה כבידה. עד כה, אף ניסוי לא הצליח לאשש או להפריך את ההבדל בין שדה הכבידה של אנטי חומר לבין שדה הכבידה של חומר, אף כי הושגה התקדמות ניכרת בנושא. בדרך כלל אטומי אנטי מימן משמשים כבסיס למחקרים שמנסים כיום כדי להשיג תשובה בשנים הקרובות. קבוצת המחקר ALPHA שממוקמת ב-CERN הייתה הראשונה ללכוד אטומי אנטי מימן ולהפיל אותם בריק על מנת למדוד את האינטראקציה הגרביטציונית שלהם. כיום קבוצת מחקר זו היא המתקדמת בעולם שמדדה את תכונות האנטי מימן בדיוק הרב ביותר.

תאוריות שונות

מפעל האנטי חומר במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN, שווייץ. במקום זה יוצרים וחוקרים חלקיקים אנטי חומר, כגון אנטי-מימן. החקר מתרכז בהשפעת כוח כבידה על חלקיקי אנטי חומר ומבנה אטום אנטי-מימן (רמות האנרגיה של האטום).

כיום, ישנן שלוש תאוריות עיקריות בנושא השפעת האנטי חומר על חומר מבחינה גרביטציונית:

תאוריה 1

ההשערה הרווחת כיום היא שחומר ואנטי חומר משפיעים מבחינת שדה הכבידה בצורה זהה.

תאוריה 2

יש הטוענים שאנטי חומר משפיע על חומר באותו גודל כפי שחומר משפיע על עצמו.

תאוריה 3

בעיות שעלו מניסיון פיתוח תאוריה קוונטית המשלבת כבידה הביאו חוקרים לרעיון ששדה הכבידה של אנטי חומר יכול להשפיע בגודל שונה משדה הכבידה של חומר.

הקושי הגדול במדידת שדה הכבידה של אנטי חומר הוא נדירותו והתכלותו ברגע מגע עם חומר שיוצר את העולם. רוב השיטות ליצירת אנטי חומר קשורות באנרגיה גבוהה של חלקיקים ואטומים בעלי אנרגיה קינטית גבוהה, מצב זה לא מאפשר מחקר בכל נושא שדה הכבידה.

טיעונים נגד שוני בין השפעת כבידה על חומר ועל אנטי חומר

עקרון השקילות

לפי עקרון השקילות שהוא אחד מאבני היסוד של תורת היחסות מסה בתאוצה שווה למסה בשדה כבידה, מסיבה זאת ובגלל שהמסה של חלקיק חומר שווה למסה של חלקיק אנטי חומר התאוצה של שניהם תהיה שווה תחת השפעה של אותו שדה כבידה.

סימטריית CPT

סימטריית CPT שהיא חלק מפיזיקה תאורטית ופיזיקת חלקיקים אומרת שגם אם יתהפך סימנו של המטען הוא לא ישפיע על התכונות האחרות של החלקיק למשל: תנע, ספין ומסה. מפני ששינוי הסימן לא משפיע על המסה חוקרים טוענים שהוא לא ישפיע גם על שדה הכבידה של החלקיק.

ניסויים

סופרנובה 1987A

סופרנובה 1987A

אחד המקורות עבור הכבידה הייתה התצפית על חלקיקי ניוטרינו מסופרנובה 1987A. בשנת 1987, שלושה גלאי ניוטרינו מרחבי העולם צפו בו זמנית בכמות אדירה של חלקיקי ניוטרינו שנבעו מסופרנובה בענן מגלן הגדול (במרחק 164,000 שנות אור). בתצפית נראה כי התגלו אנטי ניוטרינו וניוטרינו, אך אין לדעת זאת בוודאות. הגלאי אינו יכול להבדיל באופן מושלם ביניהם, על כן אם השניים אכן נצפו אז ההבדל באינטראקציות הכבידתיות הוא קטן מאוד.

הניסוי של פיירבנק

הפיזיקאי ויליאם פיירבנק עשה ניסוי על מנת למדוד באופן ישיר את התאוצה הכובדית של אלקטרון ופוזיטרון. אבל היחס בין המסה למטען החשמלי של חלקיקים הוא גדול מדי לכן הכוח האלקטרו-מגנטי גדול מדי ומקשה מאוד את הניסוי.

קשה מאוד למדוד את האינטראקציה הכובדית ברמת החלקיקים, מפני שהמסה קטנה מאוד ולכן הכוח הכובדי קטן מאוד, בנוסף עבור חלקיקים טעונים הכוח האלקטרו-מגנטי חזק הרבה יותר.

ניסוי באנטי מימן קר נייטרלי

משנת 2010 התאפשרה יצירת חלקיק אנטי מימן קרים במאיץ חלקיקי אנטי חומר ב-CERN. בגלל שחלקיקי אנטי מימן הם נייטרלים מבחינה חשמלית ניתן בעזרתם למדוד את האינטראקציה הכובדית של אנטי חומק ביחס לחומר.

ב-2013 פורסמו תוצאות ניסוי שנעשה ב-ALPHA, בניסוי אנטי מימן שוחרר לנפילה חופשית ונמדד האינטראקציה הכובדית שלהם. אך תוצאות הניסוי לא מדויקות מספיק כדי להכריז על הצהרה ברורה, אפילו לא ניתן עדין להכריז על סימן התוצאה. המחקר ב-CERN נמשך על ידי מספר שיטות שונות נוספות.

קישורים חיצוניים

• מאמר על אנטי חומר, באתר CERN (באנגלית)
• צילום הסופרנובה A1987, באתר ארגון החלל נאס"א (באנגלית)
• ציר הזמן על גילוי הספרנובה (באנגלית)