宇宙中的物質如何從無到有

starts with a bang

宇宙，它就在那裡，等著你去發現。

在宇宙的所有尺度上，從我們附近到星際介質到單個星系，到星系團到細絲結構以及巨大的宇宙網，我們觀察到的一切似乎都是由物質而不是反物質構成的。

這是一個無法解釋的謎。 當你眺望浩瀚的星空，在行星，恆星，星系以及那​裡的一切時，一個問題就會浮現在腦海：為何會有什麼而非一無所有？

當你考慮支配宇宙的物理定律時，問題變得更加突出，似乎物質和反物質之間本應該完全對稱的。然而，當我們看到那裡的事物時，我們發現我們看到的所有恆星和星系都是100％的正物質，幾乎沒有任何反物質。顯然，我們存在，就像我們所看到的恆星和星系一樣，因此必須創造出比反物質更多的物質，使我們所知道的宇宙成為可能。但它是如何發生的？這是宇宙中最令人著迷的謎團之一，但是我們比以往任何時候都更接近了解真相。

考慮兩個關於宇宙的事實，以及它們之間的矛盾：

• 在所有能量下，我們觀察到的粒子之間的每一次相互作用都沒有產生或破壞單個物質粒子，也沒有產生或破壞相同數量的反物質粒子。
• 當我們眺望宇宙，在所有的恆星，星系，氣體雲，星系團，超星系團和大尺度結構中，一切似乎都是由物質而不是反物質構成的。

這似乎是不可能的。一方面，鑑於粒子及其在宇宙中的相互作用，沒有已知的方法比反物質更重要。另一方面，我們所看到的一切絕對是物質而非反物質。這就是我們所知道的。

純能量產生物質/反物質對（左）與物質/反物質湮滅為能量（右）是完全可逆的反應。這種產生和湮滅過程遵循E = mc ^ 2，是唯一已知的創造和破壞物質或反物質的方法。

無論何時何地，只要反物質和物質在宇宙中相遇，由於粒子 - 反粒子湮滅，就會發出奇妙的能量爆發。在某些地方，我們觀察到這種湮滅，但只是在高能量源周圍產生等量的物質和反物質，如大質量黑洞周圍。當反物質遇到宇宙中的物質時，它會產生特定頻率的伽馬射線，然後我們可以檢測到它們。星際和星系際介質中充滿了物質，完全缺乏這些伽馬射線是一個強烈的信號，即沒有大量的反物質粒子在任何地方飛來飛去，因為物質/反物質的特徵會出現。

無論是星團，星系，我們自己的恆星鄰域還是我們的太陽系，我們對宇宙中反物質的比例都有巨大而有力的限制。毫無疑問：宇宙中的一切都是以物質為主導的。

銀河系中的星際介質，平均壽命大約為300年，與銀河系的年齡相比微不足道！這個約束告訴我們，至少在銀河系中，允許與我們觀察到的物質中混雜的反物質的量最多為1,000,000,000,000,000的1份！在更大的尺度上 - 例如星系和星系團 - 約束條件不那麼嚴格，但仍然非常強大。隨著觀測距離從幾百萬光年遠到超過三十億光年遠，我們觀察到我們期望物質 - 反物質湮滅的X射線和伽馬射線的缺乏。我們所看到的是，即使在大型的宇宙學尺度上，我們宇宙中存在的99.999％的物質肯定是物質（像我們一樣）而不是反物質。

所以，不知何故，即使我們不完全確定為何，我們必須在宇宙的過去創造出比反物質更多的物質。由於物質和反物質之間的對稱性在粒子物理學方面比你想像的更明確，這使得問題更加混亂。

例如：

• 每當我們創造一個夸克時，我們也會創造一個反夸克，
• 每次夸克被摧毀時，反夸克也會被摧毀，
• 每當我們創造或摧毀輕子時，我們也會從同一個輕子家族中創造或摧毀一個反輕子，
• 每當夸克或輕子經歷相互作用，碰撞或衰變時，反應結束時夸克和輕子的總淨數（夸克減去反夸克，輕子減去反輕子）在結束時與在開始時是同樣的。

我們在宇宙中製造更多（或更少）物質的唯一方法就是在等量的情況下製造更多（或更少）的反物質。

標準模型的粒子和反粒子遵守各種守恆定律，但某些粒子/反粒子對的行為之間存在細微差別，可能暗示了重子生成的起源。

但我們知道它必須是可能的; 唯一的問題是它是如何發生的。在20世紀60年代後期，物理學家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）確定了重子生成所必需的三個條件，或者產生了比反重子更多的重子（質子和中子）。它們如下：

1. 宇宙必須是一個不平衡的系統。
2. 它必須表現出 C和 CP破壞。
3. 必須存在重子數違反的相互作用。

第一個是容易的，因為根據定義，在其中具有不穩定顆粒（和/或反粒子）的膨脹的冷卻宇宙是不平衡的。第二個也很容易，因為在弱相互作用中，「 C 」對稱性（用反粒子代替粒子）和「 CP 」對稱性（用鏡面反射粒子代替粒子）都被違反了。

正常的介子圍繞其北極逆時針旋轉，然後沿著北極方向發射電子而衰變。應用C-對稱性取代粒子與反粒子。同樣，P對稱性翻轉了我們在鏡子中看到的東西。如果粒子和反粒子在C，P或CP對稱性下表現不完全相同，則認為該對稱性被違反。到目前為止，只有弱相互作用違反了三者中的任何一個。 這留下了如何違反重子數的問題。在粒子物理學的標準模型中，儘管觀察到了重子數的守恆，但對於輕子數（其中輕子是像電子或中微子的粒子），沒有明確的守恆定律。相反，它只是重子和輕子之間的區別，B - L，這是守恆的。因此，在適當的情況下，你不僅可以製造額外的質子，還可以製作出你需要的電子。 然而，這些情況仍然是個謎。在宇宙的早期階段，我們完全期望存在等量的物質和反物質，它們具有非常高的速度和能量。

在非常年輕的宇宙的高溫下，不僅可以在給定足夠能量的情況下自發地產生粒子和光子，而且還可以產生反粒子和不穩定粒子，從而產生原始粒子和反粒子湯。 隨著宇宙膨脹和冷卻，不穩定的顆粒一旦大量產生，就會衰變。如果滿足正確的條件，它們可能導致物質超過反物質，即使最初沒有物質。如何在反物質上出現這種過量物質的可能性有三種：

• 電弱規模的新物理學可以極大地增加宇宙中C - 和 CP -破壞的數量 ，導致物質和反物質之間的不對稱。Sphaleron相互作用，單獨違反 B和 L（但保留 B - L）可以產生適量的重子和輕子。這可能發生 在沒有超對稱 或 超對稱的情況下，具體取決於機制。
• 高能量的新中微子物理學，我們有一個大的暗示，可以在早期創造一個基本的輕子不對稱： leptogenesis。保存B - L的噴射， 將使用輕子不對稱來產生重子不對稱性。
• 或 GUT規模的重子發生，其中發現新物理（和新粒子）存在於大統一尺度，其中電弱力與強力結合 。

這些場景都有一些共同點，所以讓我們一起來看看最後一個，看看會發生什麼。

除了宇宙中的其他粒子之外，如果大統一理論的概念適用於我們的宇宙，將會有額外的超重玻色子，X和Y粒子，以及它們的反粒子。

如果大統一是對的，那麼就應該有新的超重粒子，稱為 X 和 Y，它們具有類似重子和類似輕子的特性。還應該有他們的反物質對應物：反X和反Y，具有相反的 B - L數和相反的電荷，但具有相同的質量和壽命。這些粒子 - 反粒子對可以在足夠高的能量下大量產生，然後在稍後的時間衰變。

所以你的宇宙可以被它們填滿，然後它們就會衰變。然而，如果你有 C - 和 CP -破壞，那麼粒子和反粒子（X / Y與反X /反Y）的衰變方式之間可能存在細微差別。

如果我們允許X和Y粒子衰變成所示的夸克和輕子組合，它們的反粒子對應物將衰變成相應的反粒子組合。但是如果CP被破壞，與反X和反Y粒子相比，X和Y粒子的衰變路徑 - 或者單向衰變的粒子百分比 - 可能會有所不同，從而導致重子產生淨重。

如果你的 X粒子有兩條路徑：衰變為兩個上夸克或一個反夸克和一個正電子，那麼反X必須有兩條相應的通道：兩個反夸克或一個上夸克和一個電子。請注意， X具有 B -L，在這兩種情況下為三分之二，而反X具有負三分之二。它與Y /反Y粒子相似 。但是有一個重要的區別是允許 C - 和 CP -破壞： X可能比反X更容易衰變成兩個上夸克，而反X可能更容易衰變為下夸克和電子而不是 X衰變為反夸克和正電子。 如果你有足夠的 X /反X和 Y /反Y對，並且它們以這種允許的方式衰變，你可以很容易地製造過量的重子而不是之前沒有的反粒子（輕子超過反輕子）。

如果粒子根據上述機制衰變掉，那麼在所有不穩定的超重粒子衰變之後，我們將在反夸克（以及輕子在反輕子上）上留下過量的夸克。在多餘的粒子 - 反粒子對湮滅之後（與紅色虛線相匹配），我們將留下過量的上下夸克，它們組成質子和中子 ，電子將匹配數量上的質子。

換句話說，你可以從一個完全對稱的宇宙開始，這個宇宙遵循所有已知的物理定律，並且只在相等和相反的對中自發地產生物質和反物質。我們有多種可能的成功途徑，但很可能大自然只需要其中一種提供給我們的宇宙。

我們存在並由物質構成的事實是無可爭議的; 為什麼我們的宇宙包含某些東西（物質）而不是一無所有（來自物質和反物質的平等組合）的問題是必須有答案的問題。本世紀，精密電磁測試，對撞機技術和超出標準模型探測粒子物理的實驗的進步可能會揭示它是如何發生的。當它確實存在時，存在的最大謎團之一將最終會有一個解決途徑。