物質－反物質不對稱性

物質–反物質不對稱性（asymmetry of matter-antimatter）是宇宙演化過程中動力學產生正反物質不對稱的現象。

基本介紹

• 中文名：物質–反物質不對稱性
• 外文名：asymmetry of matter-antimatter
• 學科：宇宙學

概念說明

1930年，P.狄拉克提出了反物質的概念。在微觀物理研究領域，電荷共軛對稱性表明，每個粒子都存在著一個反粒子，如電子的反粒子是正電子，質子的反粒子是反質子。粒子與反粒子的質量相同但守恆量子數相反，兩者相遇會發生劇烈的湮沒反應生成能量量子。如果這種對稱性在宇觀世界是根本的，將會存在著由反質子、反中子和正電子構成的反物質。然而至今在浩瀚的宇宙空間還沒有找到反物質。

物理學家通常用

η=(n_B－n_β)/n_γ

來定義物質與反物質不對稱的度量。其中n_B和n_β分別為重子和反重子的數密度，n_γ為光子的數密度，大約為400厘米^－3。宇宙早期核合成理論和宇宙微波背景輻射的研究給出η≈10^－10。

條件和機制

1967年蘇聯科學家A.薩哈羅夫給出了在宇宙演化過程中動力學產生正反物質不對稱（Baryogenesis）所需要的三個條件。①重子數需不守恆。②C和CP對稱性的破壞（C不對稱是粒子反粒子不對稱，CP不對稱是粒子反粒子、左和右聯合的不對稱）。③脫離熱平衡。粒子物理標準模型中，這三個條件都可滿足，但定量計算表明，標準模型給出的正、反物質不對稱η遠遠小於10^－10。主要原因是卡比玻–小林–益川（CKM）機制給出的CP破壞量不夠。由此，正、反物質不對稱疑難的研究促進了對超出標準模型新物理機制的探討。現已提出的有大統一機制、擴充的弱電相變機制、Affleck-Dine機制等。

實驗結果

近年來，由於中微子振盪實驗結果肯定中微子有質量，輕子數不對稱的產生機制（leptogenesis）備受關注。標準模型中重子數和輕子數可分別不守恆但二者之差是守恆的，這樣產生的輕子數不對稱轉化為重子數不對稱是可能發生的機制。但最終答案有待進一步探討。