宇宙正反物質不對稱的起源
黃髮朋、李明哲、顧佩洪、張新民/ 文
宇宙中正反物質不對稱性的起源是粒子物理和宇宙學中極具挑戰性的問題，至今人們還不清楚該問題的本質。隨著實驗觀測的日益精確，人們對這一未解之謎的研究日益深入。本文首先簡要介紹宇宙正反物質不對稱性之謎的背景，以及在理論上解釋該問題所要滿足的基本條件。然後結合最新的理論和實驗進展，重點介紹了三種能自洽地解釋正反物質不對稱性並且能夠在實驗上進行驗證的理論，包括電弱重子數產生機制、輕子數不對稱產生機制以及引力重子數產生機制。期望未來更精確的實驗能夠驗證究竟哪種機制才是宇宙正反物質不對稱性的起源。
大量的觀測結果表明當今宇宙的主要物質組分是「暗」的，包括26% 的暗物質和69% 的暗能量，它們的物理本質和屬性對人類的知識領域來說還是兩塊巨大的空白。人們所熟知的普通物質都是由粒子物理標準模型中的基本粒子構成的。這部分物質只佔宇宙總物質成分的5%左右。然而即使是我們自認為了解得很清楚的這5%的普通物質在宇宙中的表現也給人們帶來了一個難解之謎，它就是宇宙中的正反物質不對稱的問題。
宇宙正反物質不對稱性之謎的背景
1928年偉大的英國理論物理學家狄拉克(Dirac) 寫下了微觀粒子的相對論運動方程，即狄拉克方程，首次預言了反物質的存在。
幾十年來粒子物理實驗證實了每個粒子都有相應的反粒子(光子的反粒子是其自身)，物質如果與反物質相遇將湮滅為帶有相應能量的一些光子。但是把這個概念應用到宇宙中卻造成了一個極大的困惑。
從微觀粒子物理的角度來看，物質和反物質地位對等，沒有誰更優越，因此在宇宙中物質和反物質應該一樣多才是最自然的結果。然而來自天文和宇宙學的觀測證據都表明在宇宙中兩者的地位嚴重失衡。在浩瀚的宇宙里人們只觀測到物質，而沒有看到反物質。
宇宙中的物質和反物質的不對稱主要體現為正反重子的不對稱，這是因為當今宇宙中的普通物質的能量主要集中在重子部分。假設宇宙中有反物質存在的區域，這些區域與物質存在的區域的邊界上由於湮滅效應會發射出很強的伽瑪射線，但是至今人們並沒有觀測到這種伽瑪射線。在高能宇宙線中觀測到的反物質比如反質子是宇宙線傳播過程中發生碰撞而產生的次級粒子，並不是來自於宇宙深處的原初反物質。詳細的分析結果表明至少在我們可觀測的宇宙範圍內不存在反物質的區域。
在宇宙學中人們常常定義重子光子比ηB=（nB-nˉB）/nγ來定量地描述宇宙中的正反物質不對稱性，(其中nB和nˉB分別表示重子和反重子的數密度，nγ為光子的數密度，大約為每立方厘米413個光子)。
經典大爆炸宇宙學告訴我們宇宙早期的物質處於高溫的等離子體，當宇宙溫度足夠高時，正反重子不停地成對產生並很快湮滅。但是當溫度降到1GeV 以下時，這些正反重子很快湮滅成光子，而不再有正反重子對的產生。如果宇宙是正反重子對稱的，最後的結果將是ηB=0。但這與觀測結果是直接矛盾的。宇宙早期大爆炸核合成以及微波背景輻射都對重子光子比有精確的測量。兩者的測量結果都給出ηB~10-10。
注意，這兩個物理過程分別發生在溫度相差一百萬倍的不同時期，卻給出了幾乎相同的結果，這說明了標準大爆炸宇宙學模型的自洽性和成功之處，並一致性地告訴我們至少從大爆炸核合成時期開始，宇宙呈現出了明顯的正反物質的不對稱。
理論上講，這種正反物質不對稱可能是宇宙創生的時候就有的。然而，近代宇宙學研究表明，宇宙在早期經歷了一個暴脹階段。暴脹解決了經典宇宙學中的平坦性、均勻性等問題，但同時劇烈的膨脹也使得原始的重子數和反重子數密度趨近於零。也就是說經歷了暴脹之後，宇宙應該處於ηB= 0 的對稱狀態。所有的物質和反物質都是在暴脹後的再加熱(reheating)過程中產生，所以正反物質的不對稱也必須是暴脹後宇宙中的動力學演化的結果。
解釋正反物質不對稱所要滿足的基本條件
那麼這種正反物質不對稱是怎麼產生的呢? 換句話說什麼樣的物理事件會使得宇宙由ηB= 0的狀態演化為不對稱的ηB~10-10?
早在1967 年，前蘇聯科學家薩哈洛夫(Sakharov) 就提出了動力學產生宇宙正反物質不對稱，即重子數產生(baryogenesis)機制所需要的3個條件。第一是需要存在重子數不守恆的物理過程。這一點是很顯然的，如果重子數守恆，正反物質對稱的宇宙將永遠是對稱的。第二個條件是C 和CP對稱性的破壞。C不對稱是正反粒子交換的不對稱，CP 不對稱是正反粒子交換、左和右交換聯合的不對稱。只要C或CP中的任意一個對稱性存在，重子數破壞的反應過程就會產生相同數量的重子和反重子。第三個條件是脫離熱平衡。由CPT 定理(T是時間反演)可知，正反粒子質量相等。如果處於熱平衡，重子與反重子將具有相同的熱分布，因而會有相同的密度和數量。
自20世紀70年代以來，各種具體的實現薩哈洛夫3個條件的機制被物理學家們陸續提出來了。典型的例子包括大統一重子數產生機制(GUT baryogenesis)、Affleck-Dine機制、電弱重子數產生機制(electroweak baryogenesis) 和輕子數不對稱產生機制(leptogenesis)等。
電弱重子數產生機制
最先被提出來的是基於粒子物理大統一理論的重子數產生機制，因為這類理論一般都預言了譬如質子衰變等重子數破壞的過程。但是人們仍然對能否在粒子物理的標準模型中實現自洽的重子數產生機制非常感興趣。到20世紀80年代末，人們通過大量的研究認識到粒子物理的標準模型可以滿足薩哈洛夫的3個條件。在標準模型中，經典拉氏量具有重子數和輕子數守恆的對稱性，但在量子層次，反常效應和非阿貝爾規範場真空的特殊性破壞了重子數和輕子數。這種效應在低溫時是微不足道的，所以質子是穩定的。但當溫度高於電弱能標( 大致對應於
但是定量的計算表明，現有的標準模型中CKM 矩陣給出的CP破壞量不夠。另外，要產生強一級電弱相變，標準模型中的希格斯粒子的質量必須小於
圖1 (網路版彩色)標準模型中sphaleron 產生重子數破壞的物理圖像
圖2 (網路版彩色)電弱重子數產生機製圖示
電弱重子數產生機制最吸引人的地方在於它和希格斯粒子緊密聯繫在一起，可以在對撞機實驗和引力波實驗上驗證。一般電弱重子數產生機制要滿足強一級相變，標準模型中的三希格斯粒子相互作用頂點會被修改，可以通過在強子對撞機上測量希格斯對產生的不變質量分布來確定(可惜的是14TeV 的LHC的能力不足以測量這一耦合參數，未來中國可能製造的100 TeV 的超級質子質子對撞機(SPPC)則可能驗證這一預言)。當然，更精確的驗證是在電子對撞機上測量希格斯粒子和Z玻色子聯合產生的截面，比如中國正在積極籌劃的環形電子對撞機(CEPC) 和日本可能籌建的國際直線加速器(ILC)。
另外，宇宙早期電弱重子數產生的相變過程中，伴隨著bubble 之間的碰撞以及bubble和等離子體的湍流作用，還會產生引力波，未來的空間引力干涉實驗(比如eLISA)可觀能測到這一信號。太空中的引力波實驗和以及地球上的對撞機實驗相互補充，將有助於我們去了解物質的起源、反物質的丟失以及希格斯粒子的本質。
輕子數不對稱產生機制
近年來，由於中微子振蕩物理的推動，輕子數不對稱的產生機製備受關注。在標準模型中，重子數與輕子數分別由sphaleron過程破壞，如圖1所示，但二者之差卻是守恆的。這就將重子數的改變與輕子數的改變連在了一起，重子數的不對稱可以由輕子數的不對稱通過sphaleron過程轉化而來。
一般，輕子數不對稱產生機制需要輕子數破壞過程、輕子部分的C和CP破壞以及非平衡態的實現。這些條件在一般的描述有質量中微子的模型中都可以實現。比如對於簡單的蹺蹺板(see-saw)模型，中微子是馬約拉納(Majorana)型，破壞了輕子數對稱性，重的右手中微子退耦提供了非平衡條件。
然而，還沒有任何實驗證據表明中微子一定是馬約拉納型的。換言之，中微子有可能像其他帶電費米子一樣是狄拉克型的。在這種情況下，輕子數不對稱的產生機制依舊可以實現。這是因為sphaleron過程只直接作用於左手費米子，而右手中微子和左手輕子之間在溫度很低的時候才會進入熱平衡，這時候的sphaleron過程已經不起作用。這樣一來，如果有一個左手輕子的輕子數和一個相反的右手中微子的輕子數，儘管總的輕子數是嚴格等於零的，沒有任何輕子數不對稱，sphaleron 過程可以把左手輕子的輕子數部分地轉化成重子數，從而解釋重子數不對稱。
這種輕子數守恆的輕子數不對稱產生機制在一些狄拉克中微子模型中可以實現。通常，輕子數不對稱產生機制的標度很高，難於檢驗。在一些具體的模型里，輕子數不對稱產生機制可以預言中微子的CP破壞和質量排序，從而可以在中微子振蕩實驗和無中微子雙貝塔實驗中進行檢驗。
引力重子數產生機制
前面提到實現正反物質不對稱的薩哈洛夫3個條件的一個前提是CPT定理成立。如果有CPT破缺的話，也可以在熱平衡過程中產生物質和反物質的不對稱性。CPT 對稱性在粒子物理的標準模型中具有基礎性的重要地位，並帶來一系列重要的物理結果。它保證了粒子和反粒子具有相同的質量和自旋、相反的荷以及磁矩等。如今地面實驗室尚未發現CPT破缺的信號，但是檢驗的精度已經非常高。也就是說在低能標下即使存在CPT破缺，也是非常小的。但是CPT 破缺效應在宇宙的早期可以很大，膨脹的宇宙提供了這樣一個破缺CPT對稱性的框架。
基於CPT破缺的思想，我們在21世紀初通過引入宇宙暗能量與重子或輕子的導數耦合提出了熱平衡產生正反物質不對稱的模型，即quintessential baryogenesis。
在這個模型中，動力學暗能量(比如quintessence)的演化本身自發地破缺了CPT 對稱性，並扮演了雙重角色：在早期暗能量的演化速度很快，帶來足夠大的CPT 破缺效應，使得重子(輕子)與反重子(反輕子)在熱平衡時具有不同的熱分布，從而產生符合觀測要求的物質和反物質的不對稱；在晚期暗能量的演化非常緩慢，驅動宇宙的加速膨脹，其引導的CPT破缺效應非常小，遠低於目前地面CPT檢測實驗可達到的精度，這與地面實驗室檢驗CPT的結果是自洽的。此外重子或輕子物質也可以與宇宙的引力場進行直接耦合，從而在熱平衡產生足夠大的正反物質的不對稱，即gravitational baryogenesis，在這裡CPT破缺來源於宇宙時空本身的演化。
這類CPT破缺雖然可以避開地面實驗室里的CPT檢測，卻可以被宇宙微波背景輻射等觀測和實驗探測到。它的物理效應體現為光子在宇宙空間中傳播時極化方向會發生偏轉，人們可以通過微波背景輻射等光子的極化方向來測量這種偏轉的大小，從而對CPT定理進行檢驗。
由文獻發展起來的這種檢驗方法已經被多個大型微波背景輻射實驗合作組所採用。雖然目前並沒有發現明顯的CPT破缺的信號，但是採用這種方法對CPT對稱性的檢驗精度比地面實驗室里開展的實驗的精度要高出許多。
小結
總之，目前對於在宇宙中觀測到的正反物質不對稱性的起源，人們仍然知之甚少。無論在粒子物理中還是宇宙學中，這都是一個重要的問題，而且它把粒子物理和宇宙學密切聯繫起來了。
上面重點介紹了3種重子數產生機制，電弱重子數產生機制和輕子數產生機制側重於從粒子物理的角度去解釋正反物質不對稱的起源。這兩種機制都需要擴充粒子物理標準模型，都有可能在粒子物理實驗上得到驗證，特別是電弱重子數產生機制。中國正在積極推動的CEPC和日本要推動的ILC是有能力來檢驗電弱重子數產生機制的。而quintessential baryogenesis 則側重於宇宙學解釋，未來更加精確的宇宙學將進一步檢驗該機制。要徹底弄清楚正反物質不對稱性到底起源於何種機制，還需要理論物理學家和實驗物理學家的共同努力。
來源：本文節選自黃髮朋、李明哲、顧佩洪、張新民的文章《宇宙正反物質不對稱的起源》（科學通報，2016年4月，第61卷第11 期）
推薦閱讀：
※探秘反物質(科技大觀)
※反物質之暢想（修訂版）
※反物質能否也適用萬有引力？
※反物質與暗物質——阿爾法磁譜儀實驗的新結果
※反物質疑雲