反物质去哪了？

大爆炸宇宙学模型是现在广为认可的宇宙学模型。根据大爆炸宇宙学模型，宇宙最初开始于温度和密度都极高的状态，随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，渐次形成了原子核、原子、恒星、星系和星系团等物质结构。大爆炸宇宙学模型还成功预言了宇宙微波背景辐射的存在和宇宙中轻核的丰度。1964年美国无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然中发现了宇宙微波背景辐射，为大爆炸宇宙学模型提供了一个强有力的证据。

早期宇宙中的物质和反物质粒子 ▏图源：网络

宇宙早期温度极高，粒子处在不断的产生和湮灭当中，在这种高温高密的等离子体环境中，物质和反物质处在热平衡反应过程之中，总量应该是相等的。但是我们现在的宇宙中只存在物质而没有反物质，那么这些反物质都去哪了呢？

粒子和反粒子互为电荷共轭态，它们质量相同，电荷以及其它多种量子数相反，例如电子和正电子互为反粒子。也有的粒子的反粒子是其自身，比如光子、π0介子。

重子产生机制

苏联核物理学家萨哈洛夫 ▏图源：RIA Novosti archive

前苏联核物理学家萨哈洛夫认真研究了这个问题，指出要产生这样的正物质宇宙，物理理论和宇宙演化过程必须满足“萨哈洛夫三条件”，它们是：

● 重子数不守恒 普通物质重子数为1，反物质重子数为-1，重子数不守恒意味着反应前后物质和反物质数量有所不同。

● 电荷（C）和电荷-宇称（CP）对称性破缺 即将上述重子数不守恒的反应过程中的正粒子换成反粒子，反粒子过程的反应速率和正粒子过程并不完全相同。只有这样，粒子和反粒子的产生数目才有可能不相等，进而才有可能导致重子数与反重子数的不对称。

● 宇宙演化过程偏离热平衡 参加上述不守恒过程的粒子在宇宙的早期脱离热平衡状态。倘若宇宙处于热平衡状态，所有粒子的数目都在不停地产生、湮灭过程之中，重子数的平均值将保持为零。

粒子物理的标准模型建立起来之后，人们逐渐认识到这三个条件是可以得到满足的。在标准模型中，重子数和轻子数的破缺是一个和温度有关的效应。在绝对零度的情况下，破缺重子数要越过一个无限高的势垒，因此在绝对零度下重子数和轻子数是守恒量。但是温度很高的宇宙早期，隧穿势垒变小，重子数破缺就比较容易实现了。

在重子产生模型中，对热平衡的偏离需要一些特殊的机制，比如宇宙电弱相变。相变可以理解成宇宙从一种热平衡状态（也就是相）变成另外一种热平衡状态，在相变过程中热平衡状态是被破坏的。宇宙电弱相变指的是宇宙从完全电弱对称的相转变为电弱对称性破缺相的过程。在宇宙早期的等离子体环境中, 电弱对称破缺相以泡泡的形式产生。随着这些泡泡膨胀与相互碰撞，宇宙最终变成电弱对称破缺的相。

在标准模型中，C宇称和CP联合宇称对称性也是破坏的。CP对称性的破缺是由于夸克相互作用基底是夸克质量本征态的混合，用Cabibbo-Kobayashi-Maskawa（三位物理学家的名字，简称为CKM）矩阵来描述。CKM矩阵中有一项叫CP相角的物理量决定了CP对称性破坏的程度。但实验发现，CP的破缺程度比较小，不足以产生现在的物质世界。为了解决这个麻烦，我们就需要借助另外一种粒子——中微子。

轻子产生机制

轻子中有一类质量非常轻的粒子叫中微子，它有一个奇特的现象叫中微子振荡，指的是三种中微子（电子、缪子、陶子中微子）在传播过程中会相互转化。中微子振荡现象的原理是中微子相互作用的量子态和传播过程中的质量量子态不一致，每种中微子都是三个质量态混合叠加而成。这种量子态的混合叠加有点像颜色的调配，红蓝绿三种原色的比例发生变化，就会改变混合物的颜色。量子态的混合也是如此，电子、缪子、陶子中微子都有各自特殊的配比。一旦这个配比发生改变，中微子的种类也会发生改变。中微子的混合矩阵也用一个3*3的矩阵来描述，称为Pontecorvo-Maki-Nakawaga-Sakata（PMNS）矩阵。如果中微子是马约拉纳粒子，即它们的反粒子是其自身，则PMNS矩阵可能有三个CP相角，而且这些CP破坏的相角我们一个也没有准确测量到。这些相角可以由长基线中微子振荡实验来测量，这一领域是粒子物理非常热点的前沿课题。

中微子振荡原理示意图 ▏图源：网络。

前面提到，高温下重子数与轻子数都是破缺的，但二者之差却是守恒的。这样重子数破缺就和轻子数的破缺紧密连接在一起，“一损俱损，一荣俱荣”。通过轻子数不对称导致重子数不对称的物理过程叫轻子产生机制，近些年受到越来越多的关注。当然轻子数不对称的产生机制同样需要类似萨哈洛夫三条件：轻子数破缺、轻子部分的C和CP破坏以及宇宙处在非平衡态。引发轻子数破缺的CP相角更多，其数值虽然没有精确测量，但存在较大CP破坏的可能性，因此这一机制被认为最可能解释正反物质不对称之谜。轻子产生机制能否成功的关键还是CP破坏相角是否足够大，因此这一相角的测量也至关重要。

CP相角测量的最新进展

关于CP相角的测量，最新的进展来自日本的超级神冈探测器的T2K实验。这个探测器最初是被设计来寻找大统一模型预言的质子衰变的，质子衰变一直没找到，但它在中微子物理的研究方面取得了卓越的成就，包括发现超新星1987A的中微子以及中微子的某些振荡模式。

超级神冈的科学家正常检测探测器的光电倍增管 ▏图源：https://physicstoday.scitation.org

T2K实验利用日本质子加速研究中心（J-PARC）的加速器产生的缪子中微子和反缪子中微子束流，研究这些粒子和反粒子在经过300公里的旅程后转变成的电子中微子和反电子中微子。

2020年4月，《自然》杂志封面报道了T2K实验关于中微子CP破缺的最新测量结果。如果CP守恒，T2K将会检测到大约68个电子中微子和20个反电子中微子。但实验实际探测到了90个电子中微子和15个反电子中微子。这个结果说明中微子比反中微子具有更高的振荡概率，表明中微子的CP是破缺的。如果这个结果正确，其意义将是非常深远的，它解答了为什么我们生活在一个正物质宇宙中。然而需要指出的是这个结果目前置信度还不够高，只有大约3倍标准偏差（粒子物理领域的标准是需要达到5倍标准偏差才能被认定是一项“观测事实”）。因此确凿无疑地确认中微子振荡过程中存在CP破缺现象还需要更多的数据。

总结

物质反物质不对称是现代宇宙学面临的重大问题。重子产生机制因为CP破缺太小而难以解释反物质消失之谜，科学家把目光转向了轻子产生机制，轻子产生机制的CP破缺大小是这一机制能否成功的关键。T2K实验初步测量到轻子CP相角的大小，有望最终揭开反物质消失之谜。

作者简介

冯磊，中国科学院紫金山天文台副研究员，中科院青年创新促进会会员。主要从事粒子宇宙学和暗物质间接探测的研究。

主编：毛瑞青

轮值主编：袁强

编辑：王科超、高娜