反物質の重力相互作用

等価原理によれば、質量とエネルギーは重力に対して同じように反応するため、物質と反物質は重力場によって同じように加速される。この観点からすると、物質と反物質の重力反発は起こりにくい。

標準模型の枠組みでは自身の反粒子である光子は、数多くの天文学的実験（例えば、重力赤方偏移や重力レンズ効果）において、一般相対性理論の予測どおりに、通常の物質の重力場と相互作用することが観測されている。これは、物質と反物質が反発し合うと予測するいかなる理論も説明しなければならない特徴である。

CPT定理は、物質粒子の性質と反物質粒子の性質の差がC反転によって完全に説明されることを示唆している。このC反転は重力質量に影響を与えないため、CPT定理は反物質の重力質量が通常の物質の重力質量と同じであると予測する。^{[ 5 ]}反発重力は、物質と反物質の観測可能な重力質量の符号が異なることを意味するため、除外される。

1958年、フィリップ・モリソンは反重力がエネルギー保存則に違反すると主張した。物質と反物質が重力場に対して反対の反応を示す場合、粒子と反粒子のペアの高さを変えるのにエネルギーは必要ない。しかし、重力ポテンシャルを通過すると、光の周波数とエネルギーが変化する。モリソンは、物質と反物質をある高さで生成し、それより高い高さで消滅させることでエネルギーが生成されると主張した。なぜなら、生成に使用される光子のエネルギーは、消滅によって生じる光子のエネルギーよりも小さいからである。^{[ 6 ]}

その後、1958年にL.シフは量子場理論を用いて、反重力はエトヴェシュ実験の結果と矛盾すると主張した。^{[ 7 ]}しかし、シフの分析で使用された繰り込み手法は激しく批判されており、彼の研究は決定的なものではないとみなされている。^{[ 4 ]} 2014年にマルコエン・カボレットがこの議論をやり直したが、彼はそれが単に標準模型と重力反発の不整合を示すに過ぎないと結論付けた。^{[ 8 ]}

1961年、マイロン・L・グッドは、反重力によってカオンの異常再生において許容できないほど高いCP違反が観測されると主張した。^{[ 9 ]}当時、CP違反はまだ観測されていなかった。しかし、グッドの議論は絶対ポテンシャルで表現されている点で批判されている。ガブリエル・シャルダンは、議論を相対ポテンシャルで言い換えることで、観測と一致するカオン再生量が得られることを発見した。^{[ 10 ]}彼は、K中間子のモデルに基づいて、反重力がCP違反の潜在的な説明であると主張した。彼の結果は1992年に発表された。しかし、それ以降、B中間子系のCP違反メカニズムの研究により、これらの説明は根本的に無効になった。

ジェラルド・ト・フーフトによれば、重力反発の考え方のどこが間違っているかは、物理学者なら誰でもすぐにわかる。ボールを高く投げ上げて落下させると、その運動は時間反転に対して対称になる。したがって、ボールは反対の時間方向にも落下する。^{[ 11 ]}反対の時間方向にある物質粒子は反粒子であるため、ト・フーフトによれば、これは反物質が「通常の」物質と同じように地球に落下することを証明している。しかし、カボレはト・フーフトの議論は誤りであり、反ボールが反地球に落下することを証明しているにすぎないと反論した。これは、物質と反物質の重力反発に関するほとんどの理論で異論を唱えられていない。それでも、ト・フーフトの議論は、反物質が物質と反物質の両方を重力的に反発するというディラック・ミルン理論^{[ 12 ]に反論するために使用できる。 [ 13 ]}

反発重力の最初の理論は、マーク・コウィットによって発表された量子理論でした。^{[ 14 ]}この修正されたディラック理論では、コウィットは、陽電子は通常のディラックホール理論のように負のエネルギーを持つ電子の海の中の穴ではなく、負のエネルギーと正の重力質量を持つ電子の海の中の穴であると仮定しました。これにより、陽電子が正のエネルギーを持ち、負の重力質量を持つ修正されたC反転が生じます。反発重力は、波動方程式に追加の項（m _g Φ _gおよびm _g A _g）を追加することによって記述されます。その考え方は、物質粒子の重力場を運動する陽電子の波動関数が、時間の経過とともに陽電子が物質粒子からより遠くにある可能性が高くなるように進化するというものです。

斥力重力の古典理論は、ルッジェーロ・サンティッリとマッシモ・ヴィラタによって発表されている。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}どちらの理論も一般相対性理論の拡張であり、実験的に区別できない。重力は時空の曲率による連続粒子軌道の偏向であるという基本的な考え方は変わらないが、反粒子は反転した時空に「存在する」。反粒子の運動方程式は、通常の粒子の運動方程式から、C、P、T演算子を適用するか（ヴィラタ） 、等双対写像を適用するか（サンティッリ）して得られる。これは同じことであり、反粒子の運動方程式は物質と反物質の斥力を予測する。反粒子の観測された軌道は、反転した時空における真の軌道の、我々の時空への投影であるとみなさなければならない。しかし、方法論的および存在論的な観点から、ヴィラタの理論の適用範囲をミクロコスモスまで拡張することはできないと主張されてきた。^{[ 19 ]}これらの反論は後にヴィラタによって却下された。^{[ 20 ]}

物質と反物質の重力反発の根底にある最初の非古典的、非量子的な物理原理は、マルコエン・カボレットによって発表された。^{[ 5 ] [ 21 ]}彼は、物理学の新しい言語、つまり新しい数学的形式と新しい物理概念を使用する基本過程理論を導入し、量子力学と一般相対性理論の両方と互換性がない。その中心となる考え方は、電子、陽子、中性子、およびそれらの反物質の対応物のような非ゼロ静止質量粒子が、粒子のような静止状態と波のような運動状態を交互に繰り返すことで段階的な運動を示すということである。重力は波のような状態で発生し、この理論では、たとえば、陽子と反陽子の波のような状態が地球の重力場と異なる相互作用をすることを許容している。

さらに他の著者ら^{[ 12 ] [ 22 ] [ 23 ]}は、物質と反物質の重力反発を用いて宇宙論的観測を説明しているが、これらの論文は重力反発の物理的原理を扱っていない。

通常の重力を支持する実験的証拠の一つは、1987A 超新星からのニュートリノの観測である。1987 年、世界中の 3 つのニュートリノ検出器が、大マゼラン雲の超新星から放出されるニュートリノのカスケードを同時に観測した。超新星は 164,000光年離れた場所で発生したが、ニュートリノと反ニュートリノはほぼ同時に検出されたようだ。実際に両方が観測されたとすれば、重力相互作用の差は非常に小さいはずである。しかし、ニュートリノ検出器はニュートリノと反ニュートリノを完全に区別することはできない。一部の物理学者は、通常のニュートリノが全く観測されなかった可能性は 10% 未満であると控えめに推定している。他の物理学者はさらに低い確率を推定しており、中には 1% と低いものもある。^{[ 24 ]}残念ながら、この精度は、この実験をすぐに再現しても改善される可能性は低い。超新星1987A以前にこれほど近い距離で発生したことが知られている最後の超新星は、1867年頃であった。^{[ 25 ]}

2010年以降、 CERNの反陽子減速器において低温反水素の生成が可能になった。電気的に中性の反水素を用いることで、反物質粒子が地球の物質に及ぼす重力を直接測定できるはずである。

CERNでは、まずALPHA ^{[ 26 ] [ 27 ]}、次にATRAP ^{[ 28 ]}で反水素原子が捕捉されました。2012年にALPHAは、このような原子を使用して、反物質と物質の重力相互作用に関する最初の自由落下による緩やかな制約を設定しました。これは通常の重力の±7500%以内で測定されましたが^{[ 29 ]} 、反物質に作用する重力の符号について明確な科学的声明を出すには十分ではありませんでした。将来の実験は、反水素ビーム（AEgIS）または捕捉された反水素（ALPHAまたはGBAR）のいずれかを使用して、より高い精度で実行する必要があります。

2013年、ALPHAトラップから放出された反水素原子の実験により、反物質の重力に対する直接的、すなわち自由落下による粗い制限が設定された。^{[ 29 ]}これらの制限は粗く、相対精度は±100%であったため、反物質に作用する重力の符号についてさえ明確な記述には程遠かった。CERNでのAEgISのような反水素ビームを用いた実験、またはALPHAやGBARのようなトラップされた反水素を用いた今後の実験では、反物質の重力について明確な科学的記述を行うために感度を向上させる必要がある。^{[ 30 ]}

2023年にALPHAは、反物質が通常の物質と同じ重力自由落下加速度の符号を持つことを証明する最初の結果を達成した。^{[ 31 ]}