王曉明

（山西大同大學(xué)理論物理研究所，山西大同037009）

一種宇宙早期產(chǎn)生正反物質(zhì)不對稱性的模型

王曉明

（山西大同大學(xué)理論物理研究所，山西大同037009）

本文提出了一個宇宙早期正反物質(zhì)不對稱性產(chǎn)生的模型。參照夸克模型，設(shè)想了一對新的粒子，A±這對粒子可以衰變?yōu)檩p子對或由夸克組成的重子對，在宇宙早期A-和A+衰變成輕子對和重子對的比例有可能不一致，這就導(dǎo)致了正反物質(zhì)不對稱性的產(chǎn)生。這種方法非常新穎，而且自然和合理，符合粒子物理的理論的規(guī)律，并且克服了其它方法的不足之處。

輕子對；夸克對；輕子色

從目前的宇宙觀測來看我們發(fā)現(xiàn)一個很特別的現(xiàn)象，即組成我們宇宙的物質(zhì)或粒子都是正物質(zhì)或正粒子，反物質(zhì)或反粒子蹤跡全無，即使發(fā)現(xiàn)個別反粒子其實是個別某些中性粒子反湮滅過程或某些粒子相互作用或衰變產(chǎn)生的，數(shù)量極少。這個現(xiàn)象看起來非常不正常，因為我們知道在宇宙誕生的早期正反物質(zhì)是對稱的，即正反物質(zhì)的粒子是一一對應(yīng)的。現(xiàn)在的宇宙都是由正物質(zhì)組成，那么肯定在宇宙早期演化的某一個時刻或一段時間內(nèi)發(fā)生了產(chǎn)生正反物質(zhì)不對稱的過程，因為物質(zhì)的質(zhì)量主要由重子決定，有人們把這個過程稱為重子數(shù)產(chǎn)生，即baryogenesis。為了解決這個問題，人們提出了各種各樣的方案。最初，前蘇聯(lián)的物理學(xué)家薩哈羅夫提出了產(chǎn)生正反物質(zhì)不對稱性的三個條件：第一，有重子數(shù)不守恒過程；第二，有c或cp不守恒過程；第三，存在非平衡過程[1]。非平衡狀態(tài)極有可能存在，因為我們的宇宙在不斷地膨脹，在膨脹過程中某些過程就退出了平衡態(tài)。關(guān)于重子數(shù)不守恒過程就要牽涉到大統(tǒng)一理論[2]，例如在大統(tǒng)一SU（5）理論里，在宇宙極早期輕子和夸克存在相互作用，這種相互作用使得夸克變?yōu)檩p子，可以導(dǎo)致質(zhì)子的衰變，從而導(dǎo)致重子數(shù)不守恒。傳遞這種相互作用的粒子被稱為X、Y粒子，X、Y粒子不僅帶電荷而且?guī)?，它們的質(zhì)量非常大，達到1016GeV，所以這種相互作用只有極高能量時才會發(fā)生，在現(xiàn)在的低能情況下幾乎不可能發(fā)生這種相互作用。因為X、Y粒子的質(zhì)量太大，我們現(xiàn)在的能量水平根本無法產(chǎn)生X、Y粒子，現(xiàn)在人們用水作實驗，來驗證大統(tǒng)一理論的重子衰變理論，根據(jù)大統(tǒng)一理論的計算質(zhì)子的壽命是1031年，人們觀測一萬噸水，如果大統(tǒng)一理論正確的話，在一年的時間里應(yīng)該有水分子里的質(zhì)子發(fā)生衰變。但經(jīng)過觀測人們沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變，這就否定了SU（5）大統(tǒng)一理論[2]，但還有其它大統(tǒng)一理論，例如SO（10）、E（6）等，這些理論里也有重子數(shù)不守恒過程，而且質(zhì)子的壽命更長。此外，從上世紀七十年代人們提出了超對稱理論，在以后的幾十年里超對稱理論得到了飛速的發(fā)展，大統(tǒng)一理論里也引入了超對稱理論，超對稱大統(tǒng)一理論也可以解決質(zhì)子壽命短的問題。但限于目前的加速器的能量這些理論都無法得到驗證。至于c或cp不守恒過程，人們做了大量實驗，找到了一些c或cp不守恒過程。最早，上世紀五十年代，楊振寧、李政道發(fā)現(xiàn)了弱相互作用宇稱不守恒，后來六十年代人們在介子K0和的衰變中觀測到cp破壞現(xiàn)象，現(xiàn)在根據(jù)理論推算人們希望在D介子和B介子的衰變中發(fā)現(xiàn)更大的cp破壞現(xiàn)象。宇宙學(xué)家們把宇宙早期正反粒子不對稱性產(chǎn)生的希望寄托在強cp破壞上。但后來人們發(fā)現(xiàn)強cp破壞產(chǎn)生的正反物質(zhì)不對稱性的數(shù)量級太小，不足以解釋現(xiàn)在宇宙的組成，而且強cp破壞的產(chǎn)物非常復(fù)雜，解釋不了輕元素的比例問題，所以人們又在尋找新的解決辦法，后來人們又提出利用輕子數(shù)產(chǎn)生解決重子數(shù)產(chǎn)生的問題[3]，但這種方法缺點也很大，似乎希望也不大?，F(xiàn)在人們又提出了許多方法[4-9]，但這些方法有的有很大的缺陷，有的無法檢驗，因此現(xiàn)在這個問題還沒有一個可行的解決辦法。而這個問題對于宇宙演化至關(guān)重要，同時這個問題也是高能物理急需解決的問題。

1 模型

夸克模型已經(jīng)得到物理學(xué)界的一致認可，雖然還沒有發(fā)現(xiàn)自由夸克，但它的推論和實驗完全吻合。

夸克有三種色，由于夸克之間的相互作用屬于非阿貝爾規(guī)范理論，在低能時很強，所以我們見不到自由的夸克，只有高能時夸克才能解禁，才會有自由夸克和膠子。在低能時我們見到的是重子和介子，重子是由三個不同色的夸克組成，對外呈現(xiàn)白色，而介子是由一對正反夸克組成，所以介子是無色的。由夸克理論我們看輕子。輕子同夸克一樣，分為三代，每代里都有兩個粒子，一個輕子和相應(yīng)的中微子，我們知道W-粒子可以衰變?yōu)橐粋€輕子和相應(yīng)的反中微子，也可以衰變?yōu)橐粋€夸克和一個反夸克，從這里我們可以看到輕子和夸克有某種相似性，即輕子似乎也有某種類似于夸克的色的自由度，輕子帶一個正的自由度，而反輕子帶一個反的自由度，所有的過程中這個自由度是守恒的。我們看到三個正夸克可以組成重子，一個夸克和一個反夸克也可以組成介子。我們可以作這樣的假設(shè)：一代輕子也可以看成是帶兩個色的系統(tǒng)，由正反輕子可以形成W粒子，就像正反夸克可以組成介子那樣，那么兩個正的輕子也許可以象三個正的夸克組成重子那樣組成某種新的粒子，例如電子和電子中微子組成一個新的粒子。如果有這種現(xiàn)象，這個粒子是玻色子，而且應(yīng)該是矢量粒子，即自旋為1，我們暫且稱它為A，這個粒子帶一個電荷，它有正反兩個粒子A-和A+，A+可以衰變?yōu)檎娮雍头措娮又形⒆?，A-可以衰變?yōu)殡娮雍碗娮又形⒆印＞拖馱粒子既可以衰變?yōu)檎摧p子也可以衰變?yōu)檎纯淇?，我們認為A粒子也可以衰變?yōu)榭淇?，為了保持無色，A粒子不能只衰變?yōu)閮蓚€正夸克或反夸克，A粒子衰變?yōu)榭淇藭r要特別注意，因為A粒子衰變?yōu)檩p子時產(chǎn)生兩個對稱的輕子，所以在衰變?yōu)榭淇耸且惨a(chǎn)生對稱的一代兩個夸克，要保持夸克的對稱和無色，只有一個辦法，例如第一代夸克，A+只能衰變?yōu)楫?dāng)然亦可以衰變?yōu)檎娮雍头措娮又形⒆?，同理，A-能衰變?yōu)?，?dāng)然亦可以衰變?yōu)殡娮雍碗娮又形⒆印＿@樣如果有這種新的粒子A±，在宇宙早期可以產(chǎn)生大量的A±，這是很正常的，因為這是正反粒子對稱的，然后A±衰變，可以衰變成夸克組成的重子對也可以衰變?yōu)檩p子對，如果A+和A-衰變成的重子對和輕子對比例有一些不同，例如A+的衰變中Δ++（urugub）和Δ-（drdgdb）比正電子和反電子中微子多一些，或A-的衰變中電子和電子中微子比反重子對多一些，就能形成我們現(xiàn)在宇宙的組成，當(dāng)然如果A+的衰變中正電子和反電子中微子比Δ++（urugub）和Δ-（drdgdb）多一些或A-的衰變中反重子對比輕子對多一些，則可以形成完全由反物質(zhì)組成的宇宙，正物質(zhì)宇宙和反物質(zhì)宇宙形成的幾率是一樣的，而我們的宇宙恰巧是由正物質(zhì)組成。

2 討論

通過以上的介紹，可以知道我們的模型主要是通過參照夸克組成重子和介子的模型引入了正輕子間和反輕子間可以組成新的粒子A±，而且這個新的例粒子還可以衰變?yōu)榭淇私M成的白色重子對，然后通過A+和A-衰變的不對稱來形成正反物質(zhì)不對稱。從這個模型的主要思想看我們這個模型有一些明顯的優(yōu)點：(1)能夠精確地實現(xiàn)輕元素的比例，因為隨著能量密度的降低Δ++（urugub）和Δ-（drdgdb）可以形成等量的質(zhì)子和中子，這和大爆炸理論的假設(shè)是一樣的，從而可以形成觀測到的輕元素的比例。而通過強cp破壞過程很難實現(xiàn)質(zhì)子和中子的比例，從而實現(xiàn)輕元素比例，更不用說還有數(shù)量級的問題，而且強cp破壞過程需要b、c、s等夸克，而即使在宇宙早期這些夸克也很難形成，所以強cp破壞過程在宇宙早期發(fā)生的幾率也不大。還有強cp破壞過程的產(chǎn)物基本上都是介子，幾乎不能形成重子，因此形成宇宙物質(zhì)的可能性不大。(2)從數(shù)量級上看，在宇宙早期能量密度極高，也許粒子的質(zhì)量和現(xiàn)在的低能情況不同，也許那時輕子的質(zhì)量和夸克差不多，或在高密度下粒子衰變的形式和產(chǎn)物和現(xiàn)在的低能有很大區(qū)別，所以在宇宙早期高密度情況下，A+和A-衰變成輕子對和重子對的幾率差不多，所以A+和A-衰變的不對稱性可能很大，所以能滿足我們宇宙現(xiàn)在正物質(zhì)的數(shù)量。(3)我們的模型非常簡單，沒有過多的中間過程，從而大大減少了由中間過程帶來的不確定性。另外我們的模型也非常符合粒子物理的規(guī)律，完全參照了非常成功的夸克模型和輕子的特征，從高能物理的角度上可能性應(yīng)該是很大的。我們假設(shè)的新的粒子A±的質(zhì)量應(yīng)該比W±粒子的質(zhì)量更大，究竟多大我們還不能肯定，目前我們在這樣大的質(zhì)量區(qū)域的實驗還不多，即使質(zhì)量僅為125 GeV的中性higgs粒子也是最近才發(fā)現(xiàn)，也許在今后的LHC的實驗中能夠發(fā)現(xiàn)粒子A±。當(dāng)然我們的模型只是一個假設(shè)，雖然有一些有優(yōu)點，但最終還要通過實驗來檢驗，特別是能否發(fā)現(xiàn)粒子A±。

3 結(jié)論

在這篇文章里，我們參照夸克模型提出了一個宇宙早期正反物質(zhì)不對稱性產(chǎn)生的模型，雖然我們的模型比較自然和合理，但還有一些問題需要解決，它的正確與否需要實驗的檢驗。

[1]Sakharov A D.Niolation of CP Invarince,c Asymmetry,and Baryon Asymmetry of the Universe[J].Pisma Zh Eksp Teor Fiz,1967(5):32-35.

[2]戴元本.相互作用的規(guī)范理論[M].2版.北京：科學(xué)出版社,2004.

[3]Buchmuller B,Peccei R D,Yanagida T.Leptogenesis as the origion of matter Ann Rev Nucl Part Sci[J].2005,55:311.

[4]Riotto A.“Theories of baryogenesis,”[DB/OL]，（1998-07-10）[2016-04-28].http://arXiv.org/hep-ph/pdf/9807454.

[5]Cline J M.“Baryogenesis,”[DB/OL]，（2006-09-06）[2016-04-28].http://arXiv.org/hep-ph/pdf/0609145.pdf.

[6]Buchmuller W.“Baryogenesis:40 Years Later,”[DB/OL]，（2007-10-20）[2016-04-28].http://arXiv.org/hep-ph/pdf/0710.5857.pdf.

[7]Nick E.Mavromatos，Sarben Sarkar，“Neutrinos in the Early Universe,Kalb-Ramond Torsion and Matter-Antimatter Asymmetry，”[DB/OL]，（2013-12-18）[2016-04-28].http://arXiv.org/hep-ph/pdf/1312.5230.pdf.

[8]Nick E.Mavromatos，“Pseudoscalar Fields in Torsionful Geometries of the Early Universe,the Baryon Asymmetry and Majorana Neutrino Mass Generation,”[DB/OL]，（2014-03-19）[2016-04-28].http://arXiv.org/hep-ph/pdf/1403.7684.pdf.

[9]Massimo Giovannini.“Hypermagnetic gyrotropy,ination and the baryon asymmetry of the Universe,”[DB/OL]，（2015-11-02）[2016-04-28].http://arXiv.org/astro-ph.co/pdf/1511.00138.pdf.

A Model for Production of Asymmetry of Matter-antimatter in Early Universe

WANG Xiao-ming
(Institute of Theoretical Physics,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

This paper presents a model for production of asymmetry of matter-antimatter in early universe.Our method is to as?sume a couple of new particles,A±，which can decay into a couple of leptons or a couple of baryons through referring to quark model;at early universe,the ratios ofA-'sandA+'sdecaying into lepton pair and baryon pair is probably not same and this results in produc?tion of asymmetry of matter-antimatter.Our method is not only very novel,but also natural and reasonable;what’s more this method coincides with law of particle physics and overcomes some defects of other methods.

lepton pair;baryon pair;lepton color

P159.3

A

1674-0874(2017)03-0022-03

〔責(zé)任編輯 高彩云〕

2016-11-15

王曉明（1967-），男，山西太原人，博士，講師，研究方向：宇宙學(xué)和高能物理。