重子生成

在物理宇宙學當中，重子生成（Baryogenesis，英語又作Baryosynthesis）是一個物理上的過程，而一般猜想說這過程發生於宇宙早期且是導致重子不對稱的原因，而所謂的重子不對稱，指的是在已觀測的宇宙中物質（重子）和反物質（反重子）數量不平衡的現象。

在當代物理學上，一個顯著的問題是為何在宇宙中，物質會遠多於反物質，也就是做為一個整體，宇宙似乎有著大於零的重子數；而根據宇宙學的假定，我們現今觀察到的粒子，應當是透過和跟我們現今所觀測到的一樣的物理法則產生的，而根據已知的物理法則，宇宙整體的重子數應該是零，也就是說，物質跟反物質應該要一樣多，但這不合於觀測到的事實。學界目前已提出多種理論機制以解釋這落差，而這些機制的目的是在解釋味對稱的破壞與普通物質（而非反物質）的發生。就目前的觀點，這不對稱性必須要非常小，小到在大爆炸後遠短於一秒的時間單位內，大約每1630000000個粒子才會有一個出現不對稱性的程度；而在物質與反物質相互湮滅後，剩下來的重子，以及為數更加龐大的玻色子，構成了現今宇宙所有的重子物質和其他的東西；然而2010年費米實驗室的報告指出，重子物質間的不對稱性，可能遠比之前預想的更大。相關實驗包括了一系列的粒子對撞實驗，而在這些粒子對撞實驗中生成的物質，比反物質還多出1%，而迄今為止造成此落差的原因尚屬未知。

多數的大統一理論都蓄意打破重子數對稱，因為是解釋物質與反物質數量不對稱的方法之一，而在這些模型中，重子數對稱的破壞，往往都涉及質量非常大的X玻色子或者質量也相當大的希格斯玻色子（），
而這類事件發生的速率，取決於作為中介粒子的和的質量，因此在假定這些反應是造成宇宙中的重子數的主要原因的情況下，可以計算出這些粒子的質量上限，而這是因為若這些粒子的質量太大的話，相關反應的速率就會太慢，以致無法解釋現今觀察到的重子數所致；而根據這些模型的預測，若能取得大量的物質，就能偶爾觀察到質子衰變的現象，但迄今學界尚未觀察到質子衰變，因此物質與反物質數量出現不對稱的原因，至今依舊是個謎。

重子生成的理論是奠基於對粒子交互作用的兩種描述之上的，其中第一種是電弱交互作用（也就是標準模型描述的範圍）的框架下的重子生成，這種重子生成會在電弱時期時出現；另一種是大統一理論框架下的重子生成，這種重子生成會在大一統時期時或這段時間後不久出現；而量子場論與統計物理學是描述這些現象可能機制的工具。

在重子生成後，接著發生的是太初核合成，在其中原子核開始形成。

背景
絕大多數的普通物質都可在原子核中找到，而原子核是以質子和中子構成的；而質子和中子又都是以夸克所組成的；而1928年提出的狄拉克方程式又預測了這些粒子的反粒子存在；而在那之後，每種反夸克的存在都在實驗中得到證實；此外，根據目前關於宇宙創生的理論的預測，宇宙應該會有數量幾近相等的夸克與反夸克，

而在宇宙冷卻到大約的臨界溫度後，而所有產生重子且使得物質和反物質有不同生成速率的交互作用，都必須滿足這些條件，薩哈羅夫是受到當時新近發現的宇宙背景輻射與K介子系統中出現的CP破壞的啟發，而出現這些想法的。

以下是薩哈羅夫提出的三個要件：

• 重子數（B）守恆的破壞。
• 電荷共軛對稱與CP對稱的破壞。
• 在熱力學平衡之外的交互作用。

一般認為，重子數守恆的破壞是讓重子的產生得以遠多於反重子的必要關鍵，但電荷共軛對稱的破壞也是必要的，而電荷共軛對稱的破壞，使得生成重子多於反重子的交互作用，不至於受到生成反重子多於重子的交互作用所抵銷；類似地，CP破壞也是必要的，不然的話，宇宙應該會生成數量相等的左手性重子與右手性反重子。最後，這些交互作用必須在不處於熱平衡的條件下進行，不然的話CPT對稱會使得增加和減少重子數的交互作用彼此補償。

截至目前為止，尚未有實證證據顯示說在某些交互作用中，重子數守恆會因微擾而受到破壞，而這顯示說任何觀察到的粒子交互作用，在之前和之後都有一樣的重子數；而在數學上，（微擾）標準模型的哈密頓算符與重子數量子算符的交換子為零：[B,H] = BH - HB = 0；然而，已知標準模型中重子數守恆只會在非微擾的狀況下受到破壞：全局U(1)反常。為了解釋重子生成時的重子數守恆破壞，大統一理論（GUTs）和超對稱模型（SUSY）等常常會假定此類的事件（包括質子衰變）可透過X玻色子等假想的高質量玻色子發生。

這其中第二個條件，也就是CP對稱的破壞，已於1964年發現（直接的CP破壞，也就是CP對稱的破壞，則之後在1999年發現）；而由於CPT對稱的緣故，CP對稱的破壞也必然導致時間反演對稱的破壞。

在最後一個條件，也就是熱力學不平衡的場景中，生成重子不對稱的反應，其速率必須低於宇宙膨脹的速率，在這情境下，粒子與其對應的反粒子會因為宇宙快速膨脹的緣故，而無法達到熱平衡，並進而導致成對湮灭發生的可能降低。

標準模型框架下的重子生成
標準模型可以包含重子生成；然而這框架下的總重子數可能不足以解釋觀察到的重子不對稱，而就目前觀察到的狀況，宇宙早期的夸克數要大約多於夸克─反夸克對的十億分之一，才能解釋宇宙中所有觀察到的物質；
。

若要在標準模型框架下容納重子生成，那麼電弱對稱性破壞就必須是一個一級相變，而這是因為若非如此的話，那滑子就會減少因此產生的重子數不對稱；而在此之外，任何重子數不守恆的交互作用都是可忽略的。

相變發生處的會自發性地破壞宇稱守恆，而這使得破壞CP對稱的交互作用，得以在牆的兩邊同時破壞電荷共軛對稱，其中夸克傾向在發生對稱破缺的相的一邊累積，而反夸克則傾向在沒發生對稱破缺的相的一邊累積；因此夸克放大機制的特定和與反夸克相應機制的和，其絕對值會有所不同。總之，夸克與反夸克在通過領域牆時，可能有著不同的反映與不同的傳輸機率，而觀察到的結果就是，比起反夸克，有更多夸克從沒發生對稱破缺的相成功轉移至另一邊。

因此總地而言，有道重子流通過領域牆；而由於在沒發生對稱破缺的相一端常見的滑子過渡機制之故，因此在沒有發生對稱破缺的相一端、以反重子形式存在的反重子物質會變成輕子；然而，在發生對稱破缺的相的一端，滑子本身相當少見，因此無法有效減少這裡多餘的重子，因此這機制的淨效應就是產生更多的重子（與輕子）。

在這場景當中，非微擾性的電弱交互作用（像例如滑子）是重子數對稱破壞的主因，而微擾性的弱交互作用在拉格朗日量則是造成CP破壞的主因，而領域牆的存在則是熱力學不平衡與宇稱守恆破壞的主因，此點與CP破壞一起在領域牆的兩邊導致了電荷共軛對稱的破壞。

宇宙中的重子物質
重子生成的核心問題是什麼導致了宇宙中物質多於反物質，以及這不平衡的程度，這其中一個重要的量化指標是「不平衡參數」，其公式如下：
:\eta = \frac{n_B - n_{\bar B}}{n_\gamma}
在此與分別表示重子與反重子的數量密度，而則是宇宙背景輻射光子的數量密度。

根據大爆炸模型，在絕對溫度大約K時候，物質與宇宙背景輻射退耦合，而這表示當時的平均動能大約為 / (/eV) = ；在退耦合後，宇宙背景輻射的總光子數大致保持恆定，因此隨著時空的膨脹，其光子密度降低，而在平衡溫度下每立方公分的光子密度由下式給出：
:n_\gamma = \frac{1}{\pi^2} {\left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)}^3 \int_0^\infty \frac{x^2}{e^x - 1} \operatorname{d}x =
\frac{2\zeta(3)}{\pi^2}{\left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)}^3 \approx
20.3 \left(\frac{T}{1\text{K}}\right)^3 \text{cm}^{-3}

在其中，是波茲曼常數，是普朗克常数除以2與真空中的光速後的值，而(3)則是阿培里常数。這程序假定在大爆炸核合成開始前的早期宇宙中，曾存在有一種高質量且長壽的標量粒子\Phi子，\Phi子實際的行為尚屬未知，但一般假定說在熱力學不平衡的條件下，這粒子會衰變成底夸克與反夸克，因此這滿足薩哈羅夫要件；而這些底夸克構成B介子，並馬上發生強子化，進入震盪CP破壞態B^0_s - \bar{B}^0_s，因此這滿足了另一個薩哈羅夫要件；之後這些震盪介子衰變成上述的重子與反暗重子對，其方程式為B \rightarrow \psi \mathcal{B} \mathcal{M}，其中B是作為母體的B介子，\psi是反暗重子，而\mathcal{B}則是普通重子，而\mathcal{M}則是在這粒子衰變過程中，滿足其他守恆律且質量較輕的額外介子。此外，大型強子對撞機也有能力探索這類的衰變，而這是因為大型強子對撞機能夠產生多於貝爾實驗跟BaBar实验幾個數量級的B介子所致；然而，大型強子對撞機在加速器中控制B介子的初始能量的方面也面臨著更多的挑戰。

參見
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• 人擇原理
• 大爆炸
• 宇宙年表
• CP破壞

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• 輕子

參考資料
文章
教科書
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預印本
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