宇宙中的物质如何从无到有
starts with a bang
宇宙，它就在那里，等着你去发现。
在宇宙的所有尺度上，从我们附近到星际介质到单个星系，到星系团到细丝结构以及巨大的宇宙网，我们观察到的一切似乎都是由物质而不是反物质构成的。
这是一个无法解释的谜。 当你眺望浩瀚的星空，在行星，恒星，星系以及那 里的一切时，一个问题就会浮现在脑海：为何会有什么而非一无所有？
当你考虑支配宇宙的物理定律时，问题变得更加突出，似乎物质和反物质之间本应该完全对称的。然而，当我们看到那里的事物时，我们发现我们看到的所有恒星和星系都是100％的正物质，几乎没有任何反物质。显然，我们存在，就像我们所看到的恒星和星系一样，因此必须创造出比反物质更多的物质，使我们所知道的宇宙成为可能。但它是如何发生的？这是宇宙中最令人着迷的谜团之一，但是我们比以往任何时候都更接近了解真相。
考虑两个关于宇宙的事实，以及它们之间的矛盾：
这似乎是不可能的。一方面，鉴于粒子及其在宇宙中的相互作用，没有已知的方法比反物质更重要。另一方面，我们所看到的一切绝对是物质而非反物质。这就是我们所知道的。
纯能量产生物质/反物质对（左）与物质/反物质湮灭为能量（右）是完全可逆的反应。这种产生和湮灭过程遵循E = mc ^ 2，是唯一已知的创造和破坏物质或反物质的方法。
无论何时何地，只要反物质和物质在宇宙中相遇，由于粒子 - 反粒子湮灭，就会发出奇妙的能量爆发。在某些地方，我们观察到这种湮灭，但只是在高能量源周围产生等量的物质和反物质，如大质量黑洞周围。当反物质遇到宇宙中的物质时，它会产生特定频率的伽马射线，然后我们可以检测到它们。星际和星系际介质中充满了物质，完全缺乏这些伽马射线是一个强烈的信号，即没有大量的反物质粒子在任何地方飞来飞去，因为物质/反物质的特征会出现。
无论是星团，星系，我们自己的恒星邻域还是我们的太阳系，我们对宇宙中反物质的比例都有巨大而有力的限制。毫无疑问：宇宙中的一切都是以物质为主导的。
银河系中的星际介质，平均寿命大约为300年，与银河系的年龄相比微不足道！这个约束告诉我们，至少在银河系中，允许与我们观察到的物质中混杂的反物质的量最多为1,000,000,000,000,000的1份！在更大的尺度上 - 例如星系和星系团 - 约束条件不那么严格，但仍然非常强大。随着观测距离从几百万光年远到超过三十亿光年远，我们观察到我们期望物质 - 反物质湮灭的X射线和伽马射线的缺乏。我们所看到的是，即使在大型的宇宙学尺度上，我们宇宙中存在的99.999％的物质肯定是物质（像我们一样）而不是反物质。
所以，不知何故，即使我们不完全确定为何，我们必须在宇宙的过去创造出比反物质更多的物质。由于物质和反物质之间的对称性在粒子物理学方面比你想象的更明确，这使得问题更加混乱。
例如：
我们在宇宙中制造更多（或更少）物质的唯一方法就是在等量的情况下制造更多（或更少）的反物质。
标准模型的粒子和反粒子遵守各种守恒定律，但某些粒子/反粒子对的行为之间存在细微差别，可能暗示了重子生成的起源。
但我们知道它必须是可能的; 唯一的问题是它是如何发生的。在20世纪60年代后期，物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）确定了重子生成所必需的三个条件，或者产生了比反重子更多的重子（质子和中子）。它们如下：
第一个是容易的，因为根据定义，在其中具有不稳定颗粒（和/或反粒子）的膨胀的冷却宇宙是不平衡的。第二个也很容易，因为在弱相互作用中，“ C ”对称性（用反粒子代替粒子）和“ CP ”对称性（用镜面反射粒子代替粒子）都被违反了。
正常的介子围绕其北极逆时针旋转，然后沿着北极方向发射电子而衰变。应用C-对称性取代粒子与反粒子。同样，P对称性翻转了我们在镜子中看到的东西。如果粒子和反粒子在C，P或CP对称性下表现不完全相同，则认为该对称性被违反。到目前为止，只有弱相互作用违反了三者中的任何一个。 这留下了如何违反重子数的问题。在粒子物理学的标准模型中，尽管观察到了重子数的守恒，但对于轻子数（其中轻子是像电子或中微子的粒子），没有明确的守恒定律。相反，它只是重子和轻子之间的区别， B - L ，这是守恒的。因此，在适当的情况下，你不仅可以制造额外的质子，还可以制作出你需要的电子。 然而，这些情况仍然是个谜。在宇宙的早期阶段，我们完全期望存在等量的物质和反物质，它们具有非常高的速度和能量。
在非常年轻的宇宙的高温下，不仅可以在给定足够能量的情况下自发地产生粒子和光子，而且还可以产生反粒子和不稳定粒子，从而产生原始粒子和反粒子汤。 随着宇宙膨胀和冷却，不稳定的颗粒一旦大量产生，就会衰变。如果满足正确的条件，它们可能导致物质超过反物质，即使最初没有物质。如何在反物质上出现这种过量物质的可能性有三种：
这些场景都有一些共同点，所以让我们一起来看看最后一个，看看会发生什么。
除了宇宙中的其他粒子之外，如果大统一理论的概念适用于我们的宇宙，将会有额外的超重玻色子，X和Y粒子，以及它们的反粒子。
如果大统一是对的，那么就应该有新的超重粒子，称为 X 和 Y ，它们具有类似重子和类似轻子的特性。还应该有他们的反物质对应物：反 X 和反 Y ，具有相反的 B - L 数和相反的电荷，但具有相同的质量和寿命。这些粒子 - 反粒子对可以在足够高的能量下大量产生，然后在稍后的时间衰变。
所以你的宇宙可以被它们填满，然后它们就会衰变。然而，如果你有 C - 和 CP - 破坏，那么粒子和反粒子（ X / Y 与反 X /反 Y ）的衰变方式之间可能存在细微差别。
如果我们允许X和Y粒子衰变成所示的夸克和轻子组合，它们的反粒子对应物将衰变成相应的反粒子组合。但是如果CP被破坏，与反X和反Y粒子相比，X和Y粒子的衰变路径 - 或者单向衰变的粒子百分比 - 可能会有所不同，从而导致重子产生净重。
如果你的 X 粒子有两条路径：衰变为两个上夸克或一个反夸克和一个正电子，那么反 X 必须有两条相应的通道：两个反夸克或一个上夸克和一个电子。请注意， X 具有 B -L，在这两种情况下为三分之二，而反 X 具有负三分之二。它与 Y /反 Y粒子 相似 。但是有一个重要的区别是允许 C - 和 CP - 破坏： X 可能比反 X 更容易衰变成两个上夸克，而反 X 可能更容易衰变为下夸克和电子而不是 X 衰变为反夸克和正电子。 如果你有足够的 X /反 X 和 Y /反 Y 对，并且它们以这种允许的方式衰变，你可以很容易地制造过量的重子而不是之前没有的反粒子（轻子超过反轻子）。
如果粒子根据上述机制衰变掉，那么在所有不稳定的超重粒子衰变之后，我们将在反夸克（以及轻子在反轻子上）上留下过量的夸克。在多余的粒子 - 反粒子对湮灭之后（与红色虚线相匹配），我们将留下过量的上下夸克，它们组成质子和中子 ，电子将匹配数量上的质子。
换句话说，你可以从一个完全对称的宇宙开始，这个宇宙遵循所有已知的物理定律，并且只在相等和相反的对中自发地产生物质和反物质。我们有多种可能的成功途径，但很可能大自然只需要其中一种提供给我们的宇宙。
我们存在并由物质构成的事实是无可争议的; 为什么我们的宇宙包含某些东西（物质）而不是一无所有（来自物质和反物质的平等组合）的问题是必须有答案的问题。本世纪，精密电磁测试，对撞机技术和超出标准模型探测粒子物理的实验的进步可能会揭示它是如何发生的。当它确实存在时，存在的最大谜团之一将最终会有一个解决途径。
