重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

我們如何確定宇宙中物質和反物質的數量不是相等的呢?

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

1.月球:尼爾•阿姆斯特朗沒有湮滅,由此可見月球是由物質組成的。

2.太陽:太陽宇宙線是物質,而不是反物質。

3.其他星球:幾乎每一個星球都有我們的探測器。它們沒有湮滅證明太陽系是由物質組成的。

4.銀河系:通過對整個銀河系宇宙線進行採樣,我們發現質子與反質子的比是10^4比1。

5.整個宇宙:這個層面比較難以驗證。如果存在反物質宇宙,那麼我們應該能看見湮滅產生的伽馬射線爆。既然這個現象沒有被觀測到,至少能證明臨近的處女星系主要成分是正物質。至於更大的尺度,我們就很難去論證了。

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

不過還存在一個問題,“湮滅災難”可能導致整個物質—反物質對稱宇宙的毀滅。從因果關係上來說,一定有某種原因阻止了大量反物質與物質的分離,其速度之快足以防止它們在早期宇宙中互相湮滅。因此宇宙更可能是由物質組成的。

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

它是怎麼得到的呢?

如今,湮滅導致的不對稱比早期宇宙嚴重很多。在最初一微妙的極高溫的宇宙中存在大量高溫的夸克—反夸克對。柯爾布和特納估計,在這個時期每30000001個夸克對應30000000個反夸克,於是便形成了一種極微小的不對稱。隨之時間流逝,大多數反物質都與物質發生了湮滅,而最初極小數多出的正物質主宰瞭如今的宇宙。

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

幾種正物質主宰宇宙的可能原因:

1.宇宙就是以這種方式起源。但這種理論不僅缺乏證據,而且在目前流行的“宇宙膨脹”理論下行不通,而“宇宙膨脹”理論“稀釋”了宇宙原始的富集度。

2.重子產生過程發生在大一統(GUT)尺度(極早時期)。長期以來,這種理論都被視作唯一可行的理論,GUT下通常存在重子衰變的過程,比如質子的衰變(但尚未被觀測到)

3.重子的產生過程發生於弱電相變中。這也是希格斯首次捕捉到真空期望值(EVE)的地方,同時大量其他粒子也被捕獲到。

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

1967年薩哈羅夫列出了3種重子生成的必要條件

1.存在破壞重子數守恆的相互作用。假設重子守恆(B)在所有情況下保持不變,那麼現有的重子不對稱現象就能反應出原初的不對稱情況,這就回到了我們提到過的情況中。

2.存在破壞電荷共軛變換(C)不變性和電荷共軛-空間反演聯合變換(CP)不變性的相互作用。即便重子數守恆被破壞,如果物質和反物質完全對稱,則重子數守恆會在兩邊對等發生,僅僅剩下統計學意義上的多餘量,也許其質量只相當於可觀測宇宙中的一顆恆星

3.偏離熱平衡。CPT定理保證了重子和反重子的均衡,化學反應會糾正如何細微的不平衡

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

結果表明,標準模型完全滿足3個條件。

1.儘管這個標準模型滿足重子數守恆(拉格朗日函數中不存在違背該守恆的項),量子效應允許宇宙在具有不同B值得真空之間形成隧道。在能量/溫度低於10TeV(sphaleron質量)時,這種隧穿現象受到了極大的抑制,也許在未來建成得超級對撞機中有可能得到實現(不過還存在爭議),但只要溫度溫度比這更高就下一定會發生。

2.電荷共軛變換不變性的破壞(正反粒子交換不對稱)很常見。電荷共軛—空間反演聯合變換的破壞(正反粒子交換、左和右交換聯合的不對稱),這一點已經在實驗室的K介子衰變中發現,雖然嚴格說來,標準模型可能沒有足夠的CP不對稱來引發已觀測到的重子不對稱性

3.熱平衡發生在早期宇宙冷卻時的一級相變中,比如弱電相變(大致對應T=100GeV)。當“真空”(具有非零希格斯真空期望值)的bubbles滲透並增長時,重子便產生於bubble牆或其附近。

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

然而存在一個重要的理論問題,實際可能在標準模型中存在過多的重子不對稱,因此在弱電相變結束(並且前文提到的3種條件不再滿足)過後,任何先前產生的重子不對稱性都將被稀釋。

重子的生成:為什麼質子比反質子更多?

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. ucr-瓶子

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