物质与反物质
Linas Juozėnas分享
知识方舟 · 宇宙 · 伟大的开端
物质为何留存下来。
早期宇宙可能大量产生粒子和反粒子。然而，我们周围的普通物质却压倒性地占据一方。要理解这微小的过剩，就要追问物理定律如何塑造了最终形成恒星、行星和人类的物质。
微小的差异，巨大的后果。
你的身体、脚下的大地和头顶的星辰，都由大致相同的成分构成：原子核和电子。物理学也允许存在它们的反物质对应物。宇宙为何留下了如此不均衡的供给？
反物质本身是人们熟悉的科学现象。宇宙射线相互作用和某些放射性衰变会产生反粒子，实验也已经组装出反原子。真正的谜团在于普通物质与反物质之间的大尺度不平衡。[1]
什么是反物质？
正电子是电子的反粒子：它们的质量相同，电荷大小相等但符号相反。反质子是质子的对应伙伴。反粒子可以结合在一起，因此反质子和正电子能够形成反氢。[2]
这里的e表示正的基本电荷。电中性并不自动意味着粒子就是自己的反粒子：中子和反中子具有相反的重子数。[3]
“十亿分之一”是什么意思？
宇宙学家通常使用重子数来描述这种不平衡。质子和中子各计为 +1；它们的反粒子计为 −1。电子不携带重子数。问题在于，为什么宇宙物质清单的净总数为正。[3]
这大致相当于每一百亿个背景光子中多出六个重子，或者说每约17亿个光子中多出一个。这是数密度之比，并不是宇宙能量中物质所占的比例，也不是对最初重子—反重子对的直接计数。[4]
这些测量结果告诉我们有多少普通物质存留了下来。确定产生这一过剩的过程，则是更进一步的工作。
湮灭如何留下过剩
在足够热的环境中，碰撞可以产生粒子—反粒子对。逆反应则可以再次移除这些粒子对。例如，两个高能光子可以产生一个电子和一个正电子，而电子—正电子对可以湮灭成光子。[6]
冷却会使大质量粒子对的产生更难以维持。随后，重子—反重子湮灭会耗尽相互匹配的粒子群，同时保留任何预先存在的重子净过剩。由于没有足够的对应反粒子可以将其湮灭，这一过剩得以留存。[7]
湮灭会改变能量传递的形式。其产物取决于参与反应的粒子和碰撞能量；重子湮灭可以产生介子，而介子的衰变会产生光子、电子、正电子和中微子。反应产物会带走这些能量。[8]
CP 破坏实际上告诉了我们什么
设想先描述一个相互作用，然后进行两种变换。C，即电荷共轭，将粒子与反粒子互换。P，即宇称，反转空间坐标。如果变换后的过程遵循完全相同的概率，这种相互作用就遵守 CP 对称性。[10]
自然界有时会打破这种对称性。首个证据来自 1964 年的中性 K 介子衰变。后来，测量结果在其他夸克系统中也确立了 CP 破坏的存在。标准模型通过 CKM 矩阵描述夸克混合，其中包含一个能够产生这些不对称性的相位。[10]
关键在于特定过程之间存在差异。CP 破坏可以使某个衰变通道以不同于其 CP 共轭通道的概率发生。这并不意味着每个反粒子都会比其对应粒子消失得更快。[10]
创造不平衡的三个要素
1967 年，安德烈·萨哈罗夫确定了动力学重子生成的核心要求。当我们在通常的、遵守 CPT 对称性的框架中，从最初对称的状态产生过量物质时，这些要求便适用；该对称性结合了粒子—反粒子交换、空间反演和时间反演。[11]
- 改变重子数。如果重子总数严格守恒且初始为零，它就会始终为零。某种机制必须允许这一总量发生变化。[11]
- 打破 C 和 CP 对称性。反应必须区分产生物质和产生反物质的可能性，使它们的贡献不会简单地相互抵消。[11]
- 偏离热平衡。相关反应必须以一种允许过量形成并持续存在的方式脱离平衡。仅有宇宙膨胀并不能保证这一点；反应速率同样重要。[11]
一个成功的模型还必须防止后续反应抹去其结果。这种生成的不对称性被消除的过程称为冲刷。产生过量并使其保存下来，都是这一解释的一部分。[13]
物质可能是如何获得优势的？
以下机制在不同的物理环境中处理同一个大致问题。每种机制都对粒子、相互作用或宇宙的热历史提出了额外假设。
电弱重子生成：移动边界处的过量
在传统的电弱重子生成理论中，一阶相变会产生不断膨胀的新希格斯场相气泡。其边界附近的CP破坏相互作用可能会使粒子数量产生偏差，而电弱过程会改变重子数。随后，这种过量必须进入一个受到保护、不会被冲刷掉的区域。这些气泡是一种假设的宇宙演化历程。[9]
根据测得的希格斯玻色子质量，晶格计算预测，标准模型中存在平滑过渡。因此，传统的气泡机制需要额外的物理机制，例如会改变这一转变的额外标量场。[14]
轻子生成：从不同的粒子家族开始
轻子生成始于涉及轻子的不对称性；轻子是包含电子和中微子的粒子家族。在一种有影响力的理论中，假想的重马约拉纳中微子在非平衡状态下以CP不对称的概率衰变。它们的相互作用还可以通过一种称为跷跷板机制的机制，帮助解释为什么我们熟悉的中微子质量如此之小。随后，电弱过程会将由此产生的不对称性的一部分重新分配到重子数中。[15]
球形子过程会改变什么？
这些集体性的电弱场过程会同时改变重子数B和轻子数L。它们违反B + L守恒，但保留B − L守恒。在高温等离子体中，它们可以在两类粒子之间重新分配原先存在的不对称性。[12]
大统一理论重子生成：质量大得多的粒子
一些统一强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的理论，引入了极重的粒子，而这些粒子的衰变可能违反重子数守恒。在非平衡状态下发生的CP不对称衰变，可能在高能下产生过量重子。它能否在之后的电弱过程中存留下来，是一个重要限制；所需的粒子和热历史仍是假设性的。[13]
这些只是示例，并非完整清单。它们的共同目标是从一致的物理历史出发，计算出观测到的过剩。
实验可以检验什么
研究背景：2026 年 9 月。 不同实验检验不同的要素。当一种理论将它们联系到同一段早期宇宙历史时，这些发现才最有意义。
重子中的 CP 破坏
2025 年，LHCb 报告了首次观测到重子衰变中的 CP 破坏，所用对象是一种底重子及其反粒子。这扩展了实验室中关于 CP 破坏的证据。但它并未证明重子数破坏，也未确定宇宙中物质过剩的来源。[16]
中微子与反中微子
中微子振荡中的 CP 破坏尚未得到确证。2025 年 T2K–NOvA 联合分析显示，结论取决于中微子质量排序。DUNE 和 Hyper-Kamiokande 旨在提高对中微子振荡和 CP 对称性的测量精度。[17]
电偶极矩
精密测量会寻找与粒子自旋相关的永久电偶极矩。这类搜索探测 CP 破坏的其他来源。2023 年的一项电子测量结果与零一致，从而限制了可能存在的新相互作用，但并未排除所有重子生成模型。[18]
质子衰变
确认的质子衰变将证明重子数破坏。超级神冈实验在 2026 年对两种三体衰变道开展的搜索未发现显著信号。这类零结果会约束特定模型和衰变道；但无法确定一个普适的质子寿命。[19]
检验反物质本身的性质
BASE 以极高精度比较了囚禁质子和反质子的电荷质量比，结果与 CPT 对称性一致。粒子性质相同并不意味着宇宙中的数量相等：这无法确定早期宇宙产生或保留下来的两者数量。[21]
ALPHA 观测到反氢向地球下落。其加速度在测量不确定度范围内与普通引力一致。这项实验检验了反物质对引力的响应；它并未提供重子生成机制。[22]
令人信服的答案会是什么样？
令人信服的解释需要将若干结果联系起来：重子数变化的来源、合适的对称性破缺、可行的热历史，以及能够留存的过剩。它必须再现观测到的丰度，同时符合实验室限制。找到一个有希望的要素，将是朝向更大检验迈出的进展。
缺失的反物质会不会只是在别处？
大型相邻的物质与反物质区域在交界处会产生湮灭辐射。对这类区域边界的计算表明，伽马射线观测为何会强烈限制一种简单的宇宙拼接图景。此论证针对的是大型区域；它并不意味着每一种可能的孤立反物质天体都已被排除。[8]
留存下来的物质数量是宇宙的一项已测量特征。它的起源仍是一个悬而未决的物理学问题。这使该主题格外有力量：对古老光线和原初原子核的观测，可以检验在粒子衰变、地下探测器和受困反原子中得到验证的理论。
我们周围的物质承载着一个来自早期宇宙的问题。
在原子核能够聚集、原子能够形成之前，宇宙中的物质总量就已经需要保留某种过剩。湮灭解释了这种过剩如何留存。发现它是如何产生的，将把我们熟悉的世界与粒子物理学更深层的一章连接起来。
来源及延伸阅读
原始研究、科学综述和合作报告。科学背景核查于2026年9月。插图为示意图。粒子的颜色和运动路径仅用于解释。五比四的计数示例经过刻意夸大，不代表实测的宇宙比率。
- 美国能源部，《美国能源部解释……反物质》描述反粒子、反原子以及自然界中的反物质产生。
- CERN，《反物质》介绍反粒子以及正电子的历史。
- 粒子数据组（2025），《夸克模型》定义重子数以及夸克和反夸克的加性量子数。
- Fields、Molaro 和 Sarkar，粒子数据组（2026），《大爆炸核合成》将原初丰度与重子–光子比联系起来。
- Planck 合作组（2020），《普朗克2018年结果。VI. 宇宙学参数》根据微波背景推断宇宙重子密度。
- Ruffini、Vereshchagin 和 Xue（2010），《物理学与天体物理学中的电子–正电子对：从重核到黑洞》解释电子–正电子的产生、湮灭和热成对粒子群体。
- Dominik J. Schwarz（2003），《宇宙的第一秒》重子–反重子对的减少以及净剩余的留存。
- Cohen、De Rújula 和 Glashow（1998）：一个物质—反物质宇宙？通过湮灭特征检验大范围的物质—反物质区域。
- Morrissey 和 Ramsey-Musolf（2012）：电弱重子生成描述膨胀的相界面如何产生并保存重子过剩。
- 粒子数据组（2025）：夸克扇区中的 CP 破缺解释 CP 变换，以及夸克混合如何产生可观测的不对称性。
- Dine 和 Kusenko（2004）：物质—反物质不对称性的起源介绍萨哈罗夫条件，以及初始不平衡与动力学重子生成之间的区别。
- Rubakov 和 Shaposhnikov（1996）：电弱重子数不守恒解释高温电弱场如何同时改变重子数和轻子数。
- Riotto 和 Trodden（1999）：重子生成的最新进展通过假想的重粒子介绍重子生成，以及如何保存这种过剩的问题。
- D’Onofrio、Rummukainen 和 Tranberg（2014）：最小标准模型中的球子率格点计算确立了对于实测希格斯质量而言平滑的电弱交叉。
- Davidson、Nardi 和 Nir（2008）：轻子生成探讨轻子不对称性如何成为宇宙重子过剩的前身。
- LHCb 合作组（2025）：重子衰变中的 CP 破缺首次观测到重子衰变中的 CP 破缺，为夸克相互作用提供了另一项检验。
- T2K 与 NOvA（2025）：中微子振荡联合结果综合中微子结果限制了 CP 对称性，并推动下一代振荡实验的发展。
- Roussy 及其同事（2023）：电子的电偶极矩精确的零结果限制了 CP 破缺可能的新来源。
- Super-Kamiokande 合作组（2026）：寻找质子衰变近期的质子衰变搜索未发现超出预期本底的显著信号。
- Davidson 等（2007）：轻子生成对低能 CP 破缺的敏感性说明为什么中微子振荡测量本身无法确立轻子生成。
- BASE 合作组（2022）：比较质子与反质子对受困粒子的测量检验了 CPT 对称性所预测的匹配性质。
- ALPHA 合作组（2023）：引力与反氢释放出的反氢原子向地球下落，与引力具有吸引力相一致。
宏大的开端
- 奇点与创世时刻
- 量子涨落与暴胀
- 大爆炸核合成
- 物质 vs. 反物质 · 你在这里
- 冷却与基本粒子的形成
- 宇宙微波背景（CMB）
- 暗物质
- 暗能量
- 复合与第一批原子
- 黑暗时代与第一批结构
- 再电离：终结黑暗时代