重子不对称性

重子不对称性是在物理宇宙学一个重要的问题，就是为什么在宇宙中，重子（重子是构成质子、中子等粒子）的数量比反重子多？根据在现在的宇宙诞生的理论来看，粒子的数量应该和反粒子的数量一样多，而粒子会和反粒子湮灭产生光子（也就是电磁辐射），因此宇宙应该是完全由电磁波构成的，而不会有任何的物质，但我们知道事实不是这样，因此出现许多的理论出来解释，其中可能是；宇宙有分许多不同的地区，有些地区是被物质占据，而其他的地区则是反物质，这些地区的之间建的距离很远，要不然不同地区的粒子就会互相湮灭，于是展开观察反物质的行动，但情况并不乐观，到2007年5月都没由任何比氦重的反原子核被观测到。因此这个问题还有待其他物理学家解决。

## 萨哈罗夫要件

1967年，安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫提出了三个要件，而所有产生重子且使得物质和反物质有不同生成速率的交互作用，都必须满足这些条件，萨哈罗夫是受到当时新近发现的宇宙背景辐射与K介子系统中出现的CP破坏的启发，而出现这些想法的。

以下是萨哈罗夫提出的三个要件：

- 重子数（$B$）守恒的破坏。
- 电荷共轭对称与CP对称的破坏。
- 在热力学平衡之外的交互作用。

### 重子数守恒的破坏

一般认为，重子数守恒的破坏是让重子的产生得以远多于反重子的必要关键，但电荷共轭对称的破坏也是必要的，而电荷共轭对称的破坏，使得生成重子多于反重子的交互作用，不至于受到生成反重子多于重子的交互作用所抵销；类似地，CP破坏也是必要的，不然的话，宇宙应该会生成数量相等的左手性重子与右手性反重子。最后，这些交互作用必须在不处于热平衡的条件下进行，不然的话CPT对称会使得增加和减少重子数的交互作用彼此补偿。

截至目前为止，尚未有实证证据显示说在某些交互作用中，重子数守恒会因微扰而受到破坏，而这显示说任何观察到的粒子交互作用，在之前和之后都有一样的重子数；而在数学上，（微扰）标准模型的哈密顿算符与重子数量子算符的交换子为零：$[B,H] = BH - HB = 0$；然而，已知标准模型中重子数守恒只会在非微扰的状况下受到破坏：全局U(1)反常。为了解释重子生成时的重子数守恒破坏，大统一理论（GUTs）和超对称模型（SUSY）等常常会假定此类的事件（包括质子衰变）可透过X玻色子等假想的高质量玻色子发生。

### CP对称的破坏

这其中第二个条件，也就是CP对称的破坏，简称CP破坏。CP破坏指的是电荷以及宇称守恒的破坏，这过程使得一个过程在物质与反物质上可以不同的速率进行。在标准模型中，CP破坏是弱交互作用的卡比博-小林-益川矩阵（CKM矩阵）中的一个复杂的相；而在理论上，庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵（PMNS矩阵）中也有可能有非零CP破坏的相存在，但现在尚未测量PMNS矩阵中的类似现象。

CP破坏已于1964年发现，在一系列的物理现象中，第一个出现破坏的是在吴健雄的吴氏实验中观察到的宇称破坏，之后在1964年的菲奇－克罗宁实验（Fitch–Cronin experiment）中，CP破坏得到确认，而菲奇与克罗宁两氏也在1980年得到诺贝尔物理奖（直接的CP破坏，也就是CP对称的破坏，则之后在1999年发现）。由于CPT对称的缘故，CP对称的破坏也必然导致时间反演对称的破坏。然而尽管标准模型允许CP破坏，但因为重子数破坏的限制之故，CP破坏不足以解释目前宇宙中观察到的重子不对称，也就是说源自超越标准模型的物理学的现象是必要的。

在近期，在大型强子对撞机上进行的LHCb合作实验的最初三年的运行（这实验起于2010年三月）中，人们发现了一个可能的新的CP破坏的来源。这实验分析了Λ粒子（Λb0）及其反粒子的衰变模式，并比较了其衰变产物，而其资料显示出高达CP破坏敏感量20%的不对称性，而这指出了CP破坏的存在，而这分析需要大型强子对撞机之后的运行以得到确认。

### 在热力学平衡之外的交互作用

在最后一个条件，也就是热力学不平衡的场景中，生成重子不对称的反应，其速率必须低于宇宙膨胀的速率，在这情境下，粒子与其对应的反粒子会因为宇宙快速膨胀的缘故，而无法达到热平衡，并进而导致成对湮灭发生的可能降低。

## 其他的解释

### 反物质主导的区域

另一个解释重子不对称性的方法是假定物质和反物质基本上存在于宇宙中不同且彼此距离遥远的区域中。人们一开始假定反物质银河的存在可以解释这种不对称性，而这是因为从远处看，反物质原子与物质原子无法区辨、两者皆以同样的方式发光之故；然而，在物质区和反物质区的交界处所发生的物质湮灭（及其产生的伽玛射线）是可观察到的，而其强度取决于这现象发生的距离及该区的物质与反物质密度而定。如果这样的边界存在的话，它必定存在于星际空间的深处，而已知银河间的星际空间的物质密度大约为每立方米一颗原子；在假定物质区和反物质区边界附近的原子密度也是如此的状况下，物质湮灭产生的伽玛射线的光度是可计算出来的。截至目前为止，人们尚未观测到如此的区域，但这三十年来的研究已让人们知道这边界会有多远，而目前研究的结果认为在可观测宇宙中不太可能会有以反物质为主的区域存在。

### 电偶极矩

任何基本粒子中存在的电偶极矩，都会导致宇称和时间反演对称性的破坏，有鉴于此，电偶极矩的存在会导致粒子和反粒子以不同的速率演化，并导致现今所观察到的物质与反物质不对称。现今有许多实验旨在测量各种物理粒子的电偶极矩；然而，迄今为止，所有的测量都指出电偶极矩不存在，而这些实验为一个物理模型所能容许的对称破坏的量，设下了精确的限制。目前对电偶极矩最精确的限制于2014年由ACME合作实验给出，这实验以一氧化钍分子的脉冲光测量电子的电偶极矩。

### 镜像反宇宙

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就现有的知识，宇宙的状态并未违背CPT对称，而这是因为不论从古典角度或量子力学的角度来看，大霹雳都可视为同时包含一个宇宙─反宇宙对的双向事件之故；而这表示我们的宇宙在电荷（C）、宇称（P）和时间（T）方面是某个反宇宙的镜像。这对自大霹雳诞生的宇宙并不直接进入炎热且由辐射主导的时代，而其中反宇宙会自大霹雳开始沿着反向的时间轴发展，在这（反）方向上越变越大并以反物质为主，这宇宙的时空性质与我们的宇宙相比刚好颠倒，就如在真空中出现的电子─正子对一般。这个由加拿大圆周理论物理研究所发展出来的模型指出，宇宙背景辐射的温度波动式由于宇宙大霹雳附近时空的量子性所造成的；也就是说，在我们宇宙的遥远未来以及反宇宙的遥远过去会存在一个古典定点，而在这两点中间会存在所有可能的量子轮换，而量子不确定性使得我们的宇宙及其反宇宙不会是彼此完全的镜像。

这模型并未展示出其是否能解释宇宙在大尺度上的一致性等与暴胀理论相关的观测；然而，这模型为暗物质提供了一个自然且直观的解释，而这是因为在如此的宇宙─反宇宙对中，会存在大量的超大质量中微子，而这类的中微子又被称为惰性中微子，而惰性中微子可能是近期观测到的高能宇宙射线爆发的来源。

## 重子不对称参数

重子生成的核心问题是什么导致了宇宙中物质多于反物质，以及这不平衡的程度，这其中一个重要的量化指标是“不平衡参数”，其公式如下：

$$\eta = \frac{n_B - n_{\bar B}}{n_\gamma}$$

在此nB与nB分别表示重子与反重子的数量密度，而nγ则是宇宙背景辐射光子的数量密度。

根据大爆炸模型，在绝对温度大约3000K时候，物质与宇宙背景辐射退耦合，而这表示当时的平均动能大约为3000K / (10.08×10^3K/eV) = 0.3eV；在退耦合后，宇宙背景辐射的总光子数大致保持恒定，因此随着时空的膨胀，其光子密度降低，而在平衡温度T下每立方公分的光子密度由下式给出：

$$n_\gamma = \frac{1}{\pi^2} {\left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)}^3 \int_0^\infty \frac{x^2}{e^x - 1} \operatorname{d}x = <pre> \frac{2\zeta(3)}{\pi^2}{\left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)}^3 \approx 20.3 \left(\frac{T}{1\text{K}}\right)^3 \text{cm}^{-3} </pre>$$

在其中，kB是波兹曼常数，ħ是普朗克常数除以2π与真空中的光速c后的值，而ζ(3)则是阿培里常数。由于当今宇宙背景辐射的温度为2.725K之故，因此当今宇宙背景辐射光子的密度nγ大约为每立方公分有411颗宇宙背景辐射光子。

由于这些理由，因此可以认为，上面给出的不平衡参数η不是“最好”的参数，而更好的不平衡参数涉及熵密度s，其公式如下：

$$\eta_s = \frac{n_B - n_{\bar B}}{s}$$

熵密度在宇宙演化的过程中相对保持恒定，而宇宙的熵密度可由下式给出：

$$s \ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\ \frac{\mathrm{entropy}}{\mathrm{volume}} = \frac{p + \rho}{T} = \frac{2\pi^2}{45}g_\text{⁎}(T) T^3$$

在其中，p与ρ分别为能量密度张量Tμν给出的压力与密度；而g⁎则是在温度为T（至少在于2 ≪ kBT的情况下）时的“无质量”粒子的有效自由度数量，此外，对于在温度分别为Ti与Tj时，有着gi与gj的自由度的玻色子和费米子而言。

$$g_\text{⁎}(T) = \sum_\mathrm{i=bosons} g_i{\left(\frac{T_i}{T}\right)}^3 + \frac{7}{8}\sum_\mathrm{j=fermions} g_j{\left(\frac{T_j}{T}\right)}^3$$

在当下。