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为什么我们都是由物质组成?而不是反物质?

2019-01-31 13:56:47 网络术语67℃

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为什么咱们都是由物质组成?而不是反物质?

  咱们先来看两个看起来彼此对立的实际:

  当咱们观测国际时,咱们看到行星和恒星,星系和星系团,分布在星际间的气体和尘土等等。咱们会发现到处都有着相同的特色。咱们会看到原子的吸收和发射线,物质和其它物质之间的彼此作用,恒星的诞生和逝世,磕碰等等。

  

在星系中的恒星、星系、气体和尘土都是由物质构成的。(© Hubblesite)

  接着,咱们看第二个实际:

  咱们观测过的一切粒子之间的彼此作用,无论是在什么能量等级,当一个粒子被制作或炸毁的时分,总是会伴随着一个反粒子被制作或炸毁。物质和反物质之间严厉遵守着物理对称。例如,每逢一个夸克(或轻子)被制作(或炸毁)的时分,也会有一个反夸克(或反轻子)被制作(或炸毁)。也就是说,在国际大爆炸后,粒子和反粒子应该等量地发作。

  

(a)成对发作:光子相遇时会发作一个粒子和一个反粒子;(b)湮灭:当一个粒子和反粒子相遇会经过光子的方式开释能量。(© Dmitri Pogosyan)

  咱们知道,当物质和反物质相遇的时分,比方质子和反质子相遇,会导致两者湮灭,而开释出高能光子。可是,咱们没有观测到在大规范下物质和反物质之间发作的湮灭。咱们没有看到任何依据标明行星、恒星或星系是由反物质构成的。一切的依据都标明,国际中的万物都是由物质构成的,而不是反物质。

  所以,一方面咱们从试验成果中看到,当咱们制作或炸毁物质时,必定会有等量的反物质被制作或炸毁。另一方面,咱们知道你、我和国际间的一切物体都是由物质组成的。

  假如在物质和反物质之间的物理规律彻底对称,那为什么今日看到的国际都是由物质构成的?这个问题被称为重子数发作(Baryonesis),是根本物理学中最大的未解之谜之一。当然,假如不是这样的话,咱们也不会存在,更不会提出这样的疑问。

  【注:重子是指由三个夸克或反夸克组成的复合粒子,比方构成日子中一切物质的质子和中子。重子数则是粒子物理学中界说的一个量子数,用字母B标明。重子的重子数为+1,反重子的重子数为-1,其它粒子如轻子和介子的重子数为0.】

  面临这个问题,咱们现在有两个选项:要么是国际诞生的时分物质就比反物质更多;要么就是在火热和细密的国际前期发作了什么,然后导致物质和反物质(一开始都没有)之间的不对称。

  。尽管咱们不能扫除前者的或许性,可是咱们无法验证它,除非咱们能够重演国际大爆炸。但假如后者是正确的,咱们就能够想办法找出答案。

  1968年,科学家迈出了重要的一步,苏联物理学家Andrei Sakharov意识到,假如国际满意三个条件,那么物质/反物质不对称就是不行避免的。这三个条件分别是:

  违背热平衡。

  存在损坏C对称(电荷共轭对称)和CP对称(电荷共轭与宇称联合对称性)的彼此作用。

  存在损坏重子数守恒的彼此作用。

  

国际不断地在胀大和冷却。(© E.Siegel)

  第一个很简单到达。假如国际是广袤,胀大和冷却的,而且由广义相对论和量子场论分配,那么就现已发明了一个热平衡违背的状况!记住,平衡是指在一个体系里一切的粒子之间都有时机彼此沟通,或者说交流信息。可是,在一个胀大,冷却的国际中,在国际的一边和另一边的粒子之间是没有因果触摸的;实际上,在前期的国际中就有许多区域之间都是因果不触摸的,甚至连光也没有满足的时刻从一个区域传播到另一个区域。

  咱们再来看第二个条件。C对称关怀的是假如电荷对换了会发作什么。咱们知道粒子和它的反粒子有彻底相同的质量,但电荷却相反。经过一个电荷共轭的操作,相当于在一个物理进程中把一切的粒子用相应的反粒子代替。咱们能够幻想一个由反物质构成的反国际。依据电荷共轭对称揣度,咱们的国际和反国际的物理规律应该彻底相同。但假如C对称被违背了,粒子和反粒子之间的行为就会相反!观测标明,在弱彼此作用(包含放射性衰变),C对称是能够被损坏的。

  

弱彼此作用损坏电荷共轭不变性:一切的中微子都是左手的,没有右手中微子的存在。一切的反中微子都是右手的,没有左手的反中微子存在。(© E. Siegel)

  P对称是指镜像对称,也被称为宇称不变性。当你照镜子的时分,镜中的你跟实际中的你正好左右相反。假如你举起右手,镜像中的你就会举起左手。现在幻想有一个镜像国际,在这个国际中一切的东西都是相反的。在这个国际的咱们都是左面驾驭的,太阳会打西边升起,从东边日落等等。但根本上没有任何其它东西会改动,实际上咱们只要把左面和右边的概念对换一下就会跟咱们身处的这个国际没有任何差异。在大多数状况下,天然并不差异左和右,宇称是守恒的。这样的状况保持到了1956年,直到杨振宁和李政道提出了在弱彼此作用中宇称不守恒。

  

一个逆时针转的介子(左上)衰变并往北射出电子。在P变换下(右上),介子顺时针衰变并往北射出电子;在C变换下(左下),逆时针转的反介子衰变并往北射出电子;在CP联合改变下(右下),该粒子变成顺时针的反介子衰变,并往北射出电子。(© E. Siegel)

  宇称和电荷共轭都被损坏了,那么有没有这样一种或许性:假如咱们能够缔造一个魔镜,它不仅能反射左和右,还能把粒子变成反粒子,那么天然有没有或许在宇称(P)和电荷共轭(C)的联合操作下不变。好景不长,在1964年的时分科学家也找到了CP对称被损坏的依据。

  在天然界中,咱们观测到了粒子,比方重夸克衰变的时分违背CP守恒。可是咱们从来没观测到Sakharov提出的第三种条件:存在损坏重子数的彼此作用。尽管,更严厉的说是,规范模型只规则 B - L 守恒,或重子数(B)减去轻子数(L)。依据粒子物理学的规范模型,咱们知道它能够——不,是有必要——存在损坏重子数守恒的彼此作用。

  下面我要给你们看的是分配粒子物理学规范模型的场方程:

  

格拉肖-温伯格-萨拉姆的弱电一致模型中的拉格朗日量。(© Max Planck Institute for Nuclear Physics Heidelberg)

  不要太介意细节,重要的是这个方程通知咱们重子数守恒是能够被损坏的。实际上,它明确地答应重子(比方质子)数和轻子(比方电子)数有必要一同一同被损坏,这就意味着国际有必要有相同数量的重子和轻子!(这简直解说了为什么有相同数量的质子和电子,因而即便国际具有带电的质子和电子,但依然是电中性的。)

  当然,问题是咱们要知道这三个条件的量。咱们是否有满足的重子数损坏?

  

在不同规范模型的扩展中的电子偶极矩。(© Gabrielse group and D. DeMille)

  就咱们现在所知,答案似乎是不行。或许在高能量的状况下,规范模型中存在更多损坏CP对称的彼此作用,仅仅咱们还没有发现罢了。但物理学家更倾向于以为答案隐藏在逾越规范模型的新理论中。在许多规范模型的扩展理论中,比方新的弱电物理、高能轻子物理、超对称或大一致理论,都预言了很多重子数损坏的或许。

  

国际的不一同期,包含下文会说到的最前期的普朗克时期,以及之后的大一致时期和电弱时期。(© ESA)

  这些理论或许能够协助咱们答复重子数发作的问题:

  1. 轻子数不对称发作机制(Leptogenesis):该假定以为在国际前期火热的环境中充满了中微子的堂兄(较重)。它们更倾向于衰变成反轻子,而不是轻子(轻子包含电子、中微子等)。经过高温量子隧穿事情,即sphaleron进程,剩余的反轻子会转换成咱们今日看到的过量的重子。许多试验正在寻觅这些稀有的衰变,希望能通知咱们重的中微子是否存在。

  

经过Sphaleron进程发作重子。(© arXiv:1206.2942)

  2. 电弱重子数发作机制(Electroweak baryogenesis, EWBG):这是解说国际中重子不对称最具有吸引力和远景的理论之一。从姓名就能够猜出,EWBG是指任安在国际前期电弱相变时期发作的重子密度不对称的机制,但只要在EWSB是一级相变的状况,相似水分蒸腾。在空间中,布满了一个场的能量泡,这个场就是希格斯场。在能量泡外的空间的反轻子会经过sphaleron进程转化成重子。而在泡里边的空间就不会。从希格斯的质量咱们知道,EWSB的温度过低不足以发作一级相变。可是,假如在高能下咱们能够找到相似希格斯的粒子,这个理论就是可行的。

  3. Affleck-Dine机制:超对称理论假定规范模型中的每个根本粒子都有一种被称为超对称同伴的粒子与之匹配。假如这个理论正确,那么在国际暴胀期间,已知粒子的超对称同伴会进行CP损坏衰变,然后发作过量的重子。但到现在为止,大型强子对撞机都没有找到任何超对称粒子。

  4. 普朗克/大一致重子数发作机制(Planck/GUT-scale baryogenesis):重子数发作或许发作在挨近时刻的初步,在触不行及的高能下,即大一致规范或普朗克规范。在那个规范下,规范模型不再适用。对质子衰变的丈量或许有一天能够协助咱们了解大一致规范的物理规律,但假如重子数发作发作在普朗克规范,咱们或许永久无法用试验发现或验证其背面的机制。

  Sakharov提出的三个条件必定存在于咱们的国际之中,咱们需求答复的仅有问题是“要怎样得到今日所观测到的物质-反物质不对称的量?” 尽管咱们还没有得到完好的答案,但我信任在不久的将来,这是很多关于“从何而来”的问题里能够被处理的一个。

  参考文献:

  【1】G. Steigman (2007). "Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era". Annual Review of Nuclear and Particle Science. 57: 463–491.

  【2】https://arxiv.org/abs/1206.2942

  【3】Affleck, I.; Dine, M. (1985). "A new mechanism for baryogenesis". Nuclear Physics B, Particle Physics. B249 (2): 361–380.

  【4】https://arxiv.org/abs/hep-ph/9606260

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