物理群星
1967 粒子物理

重子不对称

The Baryon Asymmetry of the Universe

大爆炸本该产生等量的物质与反物质,湮灭后什么也不剩。我们存在,说明有过一个十亿分之一的偏差。

当时的困境

狄拉克 1928 年的方程预言了反物质,1932 年正电子被找到。此后每一种粒子都被发现有对应的反粒子,质量相同、电荷相反。

在实验室里造粒子时,它们严格成对出现:一份能量变成一个电子加一个正电子,从不单独产生一个。这是电荷守恒的直接后果。

问题因此很尖锐。大爆炸的能量转化成物质时,按同样的规则,每造出一个质子就该造出一个反质子。宇宙冷却后两者相遇湮灭,最终剩下的应该只有光子。

没有恒星,没有行星,没有人。

可我们在这里。而且测量给出了一个具体的数字:宇宙中每十亿个光子,对应着大约六个多出来的重子。也就是说,在早期宇宙的某个阶段,每十亿对正反粒子里,多出了大约一个粒子。湮灭之后,剩下的那些零头构成了今天全部的可见物质。

这个十亿分之一的偏差从哪来?1960 年代之前,多数人把它当作初始条件——宇宙生来如此,不必解释。

洞见时刻

1967 年,安德烈·萨哈罗夫写下了一篇不到四页的论文。他问的是:什么样的物理过程,能从一个完全对称的初始状态产生出物质多于反物质的宇宙?

答案是必须同时满足三个条件,缺一不可。

第一,必须存在破坏重子数守恒的过程。 如果重子数严格守恒,初始为零就永远为零,无论中间发生什么。

第二,电荷共轭对称(C)与电荷-宇称联合对称(CP)都必须被破坏。 否则,任何产生物质的过程,都有一个速率完全相同的镜像过程在产生反物质,两者精确抵消。

第三,过程必须偏离热平衡。 在热平衡中,正过程与逆过程速率相等,任何积累起来的不对称都会被反向过程抹平。

这三条今天叫萨哈罗夫条件。它们的威力在于:不依赖任何具体模型,只要一个理论想解释物质的起源,就必须过这三关。

值得一提的是,写下它的人第二年就被逐出了苏联氢弹项目——1968 年他那篇呼吁思想自由的文章在西方发表后,他失去了全部涉密资格。

涟漪效应

三个条件,标准模型都能部分满足,但都不够。

重子数破坏:标准模型中存在一种叫「斯法勒龙」的非微扰过程,在极高温下可以改变重子数。这一条勉强过关。

CP 破坏:1964 年克罗宁、菲奇与合作者在中性 K 介子衰变中首次观测到 CP 破坏,1973 年小林与益川指出,只要夸克有三代,标准模型就自然包含一个 CP 破坏的相位——第三代的底夸克与顶夸克在 1977 年与 1995 年相继找到,2001 年 B 工厂在 B 介子衰变里测到了这个相位预言的大 CP 不对称,两人 2008 年获诺贝尔奖。但标准模型给出的 CP 破坏强度,比解释重子不对称所需要的小了约十个数量级。

偏离热平衡:需要早期宇宙中发生一级相变。标准模型里的电弱相变是平滑过渡,不是一级相变。

也就是说,我们存在这件事本身,就是标准模型不完备的证据。

如果没有它

这个问题至今没有解决,而它已经成了粒子物理与宇宙学交叉领域最活跃的方向之一。

候选方案很多:轻子生成(先在中微子部门产生轻子数不对称,再通过斯法勒龙转化成重子数不对称)需要中微子有质量且是马约拉纳粒子——这正是各国正在建的无中微子双贝塔衰变实验要找的;电弱重子生成需要在标准模型之外加入新的粒子来把电弱相变变成一级的;也有人把希望寄托在超对称或额外的 CP 破坏源上。

日本的 T2K 与美国的 DUNE 正在测量中微子振荡中的 CP 破坏相位,LHCb 在精密测量重夸克系统的 CP 破坏。这些实验的最终动机,都可以回到 1967 年那三条。

一个人一生中最著名的身份是异见者与和平奖得主,而他在物理学上最持久的贡献,是把「为什么会有东西存在」变成了一个可以计算的问题。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.萨哈罗夫《CP 不变性破坏、C 不对称与宇宙的重子不对称》,《实验与理论物理杂志快报》第 5 卷(1967);英译重刊于《苏联物理学·进展》第 34 卷(1991)
  2. 2.狄拉克《电子的量子理论》,《皇家学会会刊 A 辑》第 117 卷(1928)——反物质的理论起点
  3. 3.李政道与杨振宁《弱相互作用中的宇称守恒问题》,《物理评论》第 104 卷第 254 页(1956)——对称性可以被破坏的第一个实例