一种宇宙早期产生正反物质不对称性的模型

王晓明

（山西大同大学理论物理研究所，山西大同037009）

一种宇宙早期产生正反物质不对称性的模型

王晓明

（山西大同大学理论物理研究所，山西大同037009）

本文提出了一个宇宙早期正反物质不对称性产生的模型。参照夸克模型，设想了一对新的粒子，A±这对粒子可以衰变为轻子对或由夸克组成的重子对，在宇宙早期A-和A+衰变成轻子对和重子对的比例有可能不一致，这就导致了正反物质不对称性的产生。这种方法非常新颖，而且自然和合理，符合粒子物理的理论的规律，并且克服了其它方法的不足之处。

轻子对；夸克对；轻子色

从目前的宇宙观测来看我们发现一个很特别的现象，即组成我们宇宙的物质或粒子都是正物质或正粒子，反物质或反粒子踪迹全无，即使发现个别反粒子其实是个别某些中性粒子反湮灭过程或某些粒子相互作用或衰变产生的，数量极少。这个现象看起来非常不正常，因为我们知道在宇宙诞生的早期正反物质是对称的，即正反物质的粒子是一一对应的。现在的宇宙都是由正物质组成，那么肯定在宇宙早期演化的某一个时刻或一段时间内发生了产生正反物质不对称的过程，因为物质的质量主要由重子决定，有人们把这个过程称为重子数产生，即baryogenesis。为了解决这个问题，人们提出了各种各样的方案。最初，前苏联的物理学家萨哈罗夫提出了产生正反物质不对称性的三个条件：第一，有重子数不守恒过程；第二，有c或cp不守恒过程；第三，存在非平衡过程[1]。非平衡状态极有可能存在，因为我们的宇宙在不断地膨胀，在膨胀过程中某些过程就退出了平衡态。关于重子数不守恒过程就要牵涉到大统一理论[2]，例如在大统一SU（5）理论里，在宇宙极早期轻子和夸克存在相互作用，这种相互作用使得夸克变为轻子，可以导致质子的衰变，从而导致重子数不守恒。传递这种相互作用的粒子被称为X、Y粒子，X、Y粒子不仅带电荷而且带色荷，它们的质量非常大，达到1016GeV，所以这种相互作用只有极高能量时才会发生，在现在的低能情况下几乎不可能发生这种相互作用。因为X、Y粒子的质量太大，我们现在的能量水平根本无法产生X、Y粒子，现在人们用水作实验，来验证大统一理论的重子衰变理论，根据大统一理论的计算质子的寿命是1031年，人们观测一万吨水，如果大统一理论正确的话，在一年的时间里应该有水分子里的质子发生衰变。但经过观测人们没有发现质子衰变，这就否定了SU（5）大统一理论[2]，但还有其它大统一理论，例如SO（10）、E（6）等，这些理论里也有重子数不守恒过程，而且质子的寿命更长。此外，从上世纪七十年代人们提出了超对称理论，在以后的几十年里超对称理论得到了飞速的发展，大统一理论里也引入了超对称理论，超对称大统一理论也可以解决质子寿命短的问题。但限于目前的加速器的能量这些理论都无法得到验证。至于c或cp不守恒过程，人们做了大量实验，找到了一些c或cp不守恒过程。最早，上世纪五十年代，杨振宁、李政道发现了弱相互作用宇称不守恒，后来六十年代人们在介子K0和的衰变中观测到cp破坏现象，现在根据理论推算人们希望在D介子和B介子的衰变中发现更大的cp破坏现象。宇宙学家们把宇宙早期正反粒子不对称性产生的希望寄托在强cp破坏上。但后来人们发现强cp破坏产生的正反物质不对称性的数量级太小，不足以解释现在宇宙的组成，而且强cp破坏的产物非常复杂，解释不了轻元素的比例问题，所以人们又在寻找新的解决办法，后来人们又提出利用轻子数产生解决重子数产生的问题[3]，但这种方法缺点也很大，似乎希望也不大。现在人们又提出了许多方法[4-9]，但这些方法有的有很大的缺陷，有的无法检验，因此现在这个问题还没有一个可行的解决办法。而这个问题对于宇宙演化至关重要，同时这个问题也是高能物理急需解决的问题。

1 模型

夸克模型已经得到物理学界的一致认可，虽然还没有发现自由夸克，但它的推论和实验完全吻合。

夸克有三种色，由于夸克之间的相互作用属于非阿贝尔规范理论，在低能时很强，所以我们见不到自由的夸克，只有高能时夸克才能解禁，才会有自由夸克和胶子。在低能时我们见到的是重子和介子，重子是由三个不同色的夸克组成，对外呈现白色，而介子是由一对正反夸克组成，所以介子是无色的。由夸克理论我们看轻子。轻子同夸克一样，分为三代，每代里都有两个粒子，一个轻子和相应的中微子，我们知道W-粒子可以衰变为一个轻子和相应的反中微子，也可以衰变为一个夸克和一个反夸克，从这里我们可以看到轻子和夸克有某种相似性，即轻子似乎也有某种类似于夸克的色的自由度，轻子带一个正的自由度，而反轻子带一个反的自由度，所有的过程中这个自由度是守恒的。我们看到三个正夸克可以组成重子，一个夸克和一个反夸克也可以组成介子。我们可以作这样的假设：一代轻子也可以看成是带两个色的系统，由正反轻子可以形成W粒子，就像正反夸克可以组成介子那样，那么两个正的轻子也许可以象三个正的夸克组成重子那样组成某种新的粒子，例如电子和电子中微子组成一个新的粒子。如果有这种现象，这个粒子是玻色子，而且应该是矢量粒子，即自旋为1，我们暂且称它为A，这个粒子带一个电荷，它有正反两个粒子A-和A+，A+可以衰变为正电子和反电子中微子，A-可以衰变为电子和电子中微子。就像W粒子既可以衰变为正反轻子也可以衰变为正反夸克，我们认为A粒子也可以衰变为夸克，为了保持无色，A粒子不能只衰变为两个正夸克或反夸克，A粒子衰变为夸克时要特别注意，因为A粒子衰变为轻子时产生两个对称的轻子，所以在衰变为夸克是也要产生对称的一代两个夸克，要保持夸克的对称和无色，只有一个办法，例如第一代夸克，A+只能衰变为当然亦可以衰变为正电子和反电子中微子，同理，A-能衰变为，当然亦可以衰变为电子和电子中微子。这样如果有这种新的粒子A±，在宇宙早期可以产生大量的A±，这是很正常的，因为这是正反粒子对称的，然后A±衰变，可以衰变成夸克组成的重子对也可以衰变为轻子对，如果A+和A-衰变成的重子对和轻子对比例有一些不同，例如A+的衰变中Δ++（urugub）和Δ-（drdgdb）比正电子和反电子中微子多一些，或A-的衰变中电子和电子中微子比反重子对多一些，就能形成我们现在宇宙的组成，当然如果A+的衰变中正电子和反电子中微子比Δ++（urugub）和Δ-（drdgdb）多一些或A-的衰变中反重子对比轻子对多一些，则可以形成完全由反物质组成的宇宙，正物质宇宙和反物质宇宙形成的几率是一样的，而我们的宇宙恰巧是由正物质组成。

2 讨论

通过以上的介绍，可以知道我们的模型主要是通过参照夸克组成重子和介子的模型引入了正轻子间和反轻子间可以组成新的粒子A±，而且这个新的例粒子还可以衰变为夸克组成的白色重子对，然后通过A+和A-衰变的不对称来形成正反物质不对称。从这个模型的主要思想看我们这个模型有一些明显的优点：(1)能够精确地实现轻元素的比例，因为随着能量密度的降低Δ++（urugub）和Δ-（drdgdb）可以形成等量的质子和中子，这和大爆炸理论的假设是一样的，从而可以形成观测到的轻元素的比例。而通过强cp破坏过程很难实现质子和中子的比例，从而实现轻元素比例，更不用说还有数量级的问题，而且强cp破坏过程需要b、c、s等夸克，而即使在宇宙早期这些夸克也很难形成，所以强cp破坏过程在宇宙早期发生的几率也不大。还有强cp破坏过程的产物基本上都是介子，几乎不能形成重子，因此形成宇宙物质的可能性不大。(2)从数量级上看，在宇宙早期能量密度极高，也许粒子的质量和现在的低能情况不同，也许那时轻子的质量和夸克差不多，或在高密度下粒子衰变的形式和产物和现在的低能有很大区别，所以在宇宙早期高密度情况下，A+和A-衰变成轻子对和重子对的几率差不多，所以A+和A-衰变的不对称性可能很大，所以能满足我们宇宙现在正物质的数量。(3)我们的模型非常简单，没有过多的中间过程，从而大大减少了由中间过程带来的不确定性。另外我们的模型也非常符合粒子物理的规律，完全参照了非常成功的夸克模型和轻子的特征，从高能物理的角度上可能性应该是很大的。我们假设的新的粒子A±的质量应该比W±粒子的质量更大，究竟多大我们还不能肯定，目前我们在这样大的质量区域的实验还不多，即使质量仅为125 GeV的中性higgs粒子也是最近才发现，也许在今后的LHC的实验中能够发现粒子A±。当然我们的模型只是一个假设，虽然有一些有优点，但最终还要通过实验来检验，特别是能否发现粒子A±。

3 结论

在这篇文章里，我们参照夸克模型提出了一个宇宙早期正反物质不对称性产生的模型，虽然我们的模型比较自然和合理，但还有一些问题需要解决，它的正确与否需要实验的检验。

[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.相互作用的规范理论[M].2版.北京：科学出版社,2004.

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[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

〔责任编辑 高彩云〕

2016-11-15

王晓明（1967-），男，山西太原人，博士，讲师，研究方向：宇宙学和高能物理。