前沿:宇宙學及其他

重子不對稱(baryon asymmetry)

每當我們在實驗室裡製造一個物質粒子,就會有一個反粒子伴隨出現,而當兩者相遇便湮滅為光。因此自然的預期是:宇宙誕生時物質與反物質等量,它們本該幾乎完全湮滅,只留下輻射。然而我們竟在此:恆星、行星與人,全由物質構成,各處幾乎沒有任何反物質。為什麼會有任何物質存在?這就是重子不對稱問題。

重子是由三個夸克構成的粒子,其中以質子與中子為要。觀測到的不對稱極其微小卻具決定性,用重子對光子比 eta =(重子數 n_baryon 減 反重子數 n_antibaryon)除以光子數 n_photon 來量度,約為 6 x 10^-10。換句話說:在早期宇宙中,每十億個反夸克就約有十億零一個夸克;那十億對湮滅成了後來成為宇宙微波背景的光子,而剩下的十億分之一,就是今日存在的全部普通物質。以動力學方式產生這份超額稱為重子生成(baryogenesis),而薩哈羅夫在 1967 年指出它需要三個條件:重子數守恆的破壞、C 與 CP 對稱的破壞,以及偏離熱平衡。

這是一個貨真價實的未解問題。標準模型原則上包含全部三項薩哈羅夫要素,但它所提供的 CP 破壞遠遠太小,其他機制也太弱,無法產生觀測到的 eta。因此物質的超額,正是超出標準模型的物理必然存在的證據,無論是在大統一理論、新的 CP 破壞來源,還是微中子物理(輕子生成 leptogenesis)之中。我們的存在本身,仰賴一項我們尚無法解釋的不對稱。

若物質與反物質恰好等量,湮滅本會使每 10^18 個光子只留下約一個殘存重子;然而我們觀測到約每 1.6 x 10^9 個光子就有一個。那超出十億倍的倖存者,就是宇宙全部的物質內容,包括你曾觸碰過的一切。

每十億個夸克多出一個:那份微小的超額,成了全部的物質。

標準模型提供了 CP 破壞,但遠不足以解釋觀測到的不對稱,因此重子生成是新物理的直接證據。薩哈羅夫的三個條件是必要要求,而非某個具體機制;自然究竟採用了哪個機制,至今仍未可知。

又稱
matter-antimatter asymmetrybaryogenesis puzzle物質-反物質不對稱