正反物質相遇會發生湮滅，宇宙中正反物質之間是否有空間在隔絕？

考慮到很多人經常會把反物質和暗物質搞混，所以在說明反物質之前，首先區分反物質和暗物質這兩個概念：

反物質：任何物質都有反物質，反物質的電荷等性質與正物質相反，質量相同，比如電子與正電子，除了電荷符號相反外其他性質均相同；光子的反物質就是其自身；

暗物質：為了解釋宇宙學觀測中現象與理論不符而提出的一種分布在宇宙中的不可見物質，目前為止暗物質只是一種假設，也沒有任何的實驗觀測表明暗物質存在。

理論上說，反物質屬于可見物質 本文由以下幾個部分構成：

1、背景介紹

2、正反物質湮滅

3、宇宙中的反物質

4、身邊的反物質

5、理論解釋

6、總結

1、背景介紹

最先提出“反物質”的是狄拉克（Dirac），他為了描述電子（自旋為1/2的粒子）的運動而提出了Dirac方程。狄拉克通過對比牛頓力學與相對論力學的關系，自然地想把量子力學推廣到相對論性量子力學。在量子力學中，最重要的是薛定諤方程：

其中

為哈密頓算符，其實就是牛頓力學下動能的形式，而狄拉克推廣的想法簡單地說就是把這個能量變為相對論中的能量：

其中把光速設為1了。這個方程的解就可能對應著兩個能量，即+E和-E，狄拉克把負能量解釋成反物質。狄拉克對此提出了“狄拉克海”，以電子為例，他認為宇宙中充滿了電子，和海洋一樣，但是某些電子可能由于某些原因被激發出海平面，這樣這個電子原來的位置就留下一個空穴。這個空穴相對于充滿電子的空間來說，就是帶正電的正電子。當然現在我們知道這種解釋并不是正確的。通過解Dirac方程發現，每一種粒子（自旋1/2的粒子）都必定存在其對應的反粒子，反粒子和粒子的質量完全相同，但是電荷等屬性完全相反（注意與暗物質區分）。隨著理論和實驗的發展發現，不管自旋為多少，每一種粒子都有其對應的反粒子（特殊情況下，反粒子可以為其本身，如光子）。

1932年，安德森發現了正電子。安德森從1930年開始跟密立根做宇宙射線的研究工作。從1930年起安德森負責用云室觀測宇宙射線。安德森采用一個帶有非常強磁鐵的威爾遜云室來研究宇宙射線。他讓宇宙射線中的粒子通過室內的強磁場

并快速拍下粒子徑跡的照片，然后根據徑跡長度、方向和曲率半徑等數據來推斷粒子的性質。1932年8月2日，安德森在照片中發現一條奇特的徑跡，這條徑跡和負電子有同樣的偏轉度，卻又具相反的方向（上圖），顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質子。于是他果斷地得出結論，這是帶正電的電子。狄拉克預言的正電子就這樣被安德森發現了。

雖然安德森是第一個發現正電子的人，但是實際上，在此之前，就有一名中國物理學家發現了正電子的跡象，他就是趙忠堯先生。

2、正反物質湮滅正反物質相遇會發生湮滅反應（當然也有一定的概率發生散射而不是湮滅），在這個過程中釋放出高能光子。以正負電子為例，正負電子湮滅成一對光子的（最主要的）過程可以用如下費曼圖表示：

正負電子湮滅生成一對光子 電子的質量大約為

正負電子湮滅放出的光子的波長很容易算出來。反應前后能量守恒：

其中

是電子的靜質量，

是入射光子的頻率，可以算出：

再通過

算出光子波長:

而光的分類為：

可以看到，這樣的光子至少也是gamma射線。上面的計算還沒有考慮電子有動能。另外，宇宙中的物質主要是重子，重子是強子的一種，而最輕的強子是 介子的質量大約為

是電子質量的260倍左右。所以強子正反物質湮滅只會釋放出更高的能量。

3、宇宙中的反物質

單純的從Dirac方程來看，物質和反物質的地位是完全等價的，不存在誰比誰更優先，兩者是互為反物質，也就是說，物質和反物質的產生和湮滅過程在統計上應該是平衡的。如果我們假設宇宙大爆炸時正反物質數量是相等的，那么現在的正反物質數量也應該是相等。

宇宙中的物質和反物質的不對稱主要體現為正反重子的不對稱，這是因為當今宇宙中的普通物質的能量主要集中在重子部分。但是天文觀測數據卻顯示，在可觀測的宇宙范圍內，二者嚴重失衡，只發現了正物質，沒有反物質。假設宇宙中有反物質存在的區域，那么在正反物質的交界處會發生劇烈的湮滅，產生很強的伽馬射線，但是宇宙觀測中并沒有發現這種伽馬射線。在高能宇宙線中觀測到的反物質比如反質子是宇宙線傳播過程中發生碰撞而產生的次級粒子，并不是來自于宇宙深處的原初反物質其它的觀測也給出了相同的結果。

在宇宙學中，人們定義了重子光子比

上面公式中的分子分別表示重子和反重子的數密度，分母為光子的數密度，大約為每立方厘米413個光子。經典大爆炸宇宙學告訴我們宇宙早期的物質處于高溫的等離子體，當宇宙溫度足夠高時，正反重子不停地成對產生并很快湮滅。但是當溫度降到1 GeV 以下時，這些正反重子很快湮滅成光子，而不再有正反重子對的產生。如果宇宙是正反重子對稱的，最后的結果將是0。但這與觀測結果是直接矛盾的。宇宙早期大爆炸核合成以及微波背景輻射都重子光子比有精確的測量。兩者的測量結果都給出10的負10次方。注意，這兩個物理過程分別發生在溫度相差一 百萬倍的不同時期，卻給出了幾乎相同的結果，這說明了標準大爆炸宇宙學模型的自洽性和成功之處，并一致性地告訴我們至少從大爆炸核合成時期開始，宇宙呈現出了明顯的正反物質的不對稱。

理論上講，這種正反物質不對稱可能是宇宙創 生的時候就有的。然而，近代宇宙學研究表明，宇宙 在早期經歷了一個暴脹階段。暴脹解決了經典宇宙 學中的平坦性、均勻性等問題，但同時劇烈的膨脹也使得原始的重子數和反重子數密度趨近于零。也就是說經歷了暴脹之后，宇宙應該處于的對稱狀態。所有的物質和反物質都是在暴脹后的再加熱 (reheating)過程中產生，所以正反物質的不對稱也必 須是暴脹后宇宙中的動力學演化的結果。

4、身邊的反物質

一說到反物質，就會想到反物質和正物質會湮滅，會覺得其與生活中的物質距離非常遠。但是實際上，從某種意義上說，反物質無處不在。根據物理學中的相關知識可以知道，我們的宏觀世界幾乎都是由原子或分子構成的，原子質量幾乎都集中在原子核中，原子核由質子和中子構成，而原子核中的質子中子之間是有非常強的相互作用的，而傳遞這種相互作用的粒子中就含有反物質（反夸克）。所以，從這種意義上說，反物質存在于所有的宏觀物質中。當然，這里是指反物質粒子，而不是反物質粒子構成的宏觀物質。（當然，嚴格地說，這些應該屬于虛粒子）

反物質在我們所生活的環境中不能產生，但是在實驗室中卻很容易產生，也就是在對撞機中，比如CERN的LHC，北京的北京正負電子對撞機BEPC等，在一次對撞中，會產生成千上萬的反物質粒子產生，也就是說反物質每天都在實驗室中產生。

5、理論解釋

那么從現有的理論上該怎么解釋這個現象呢？1967年前蘇聯物理學家薩哈洛夫（Sakharov）就提出了動力學產生宇宙正反物質不對稱, 即重子數產生（baryogenesis）機制所需要的3個條件：

存在重子數不守恒的過程

C和CP對稱性的破壞

脫離熱平衡

重子數的定義：正物質重子數 減去 反物質重子數。第一條是很顯然的，若重子數守恒，那么正反物質永遠是對稱的。第二條，C不對稱是正反粒子交換的不對稱，CP不對稱是正反粒子交換、左和右交換聯合的不對稱。只要C或CP中的任意一個對稱性存在， 重子數破壞的反應過程就會產生相同數量的重子和反重子。第三條，由CPT 定理(T是時間反演)可知，正反粒子質量相等。如果處于熱平衡，重子與反重子將具有相同的熱分布, 因而會有相同的密度和數量。

為了實現這三個條件，多年來提出了很多具體的機制和模型。但是能否在現有的粒子物理標準模型（Standard Model，SM） 實現呢？在當今粒子物理的標準模型中，重子數守恒是被非微擾的Sphaleron過程所破壞。再者C變換不守恒在標準模型的弱相互作用中普遍存在，而CP變換的不守恒是由卡比博-小林-益川矩陣(CKM矩陣)中的一個復的相角所提供。當重子數破壞過程的反應速率小于宇宙膨脹的速率時，遠離熱平衡的條件也可以滿足。但是定量的計算表明標準模型中CP破壞的效應很小而遠遠不能產生觀測到的物質反物質不對稱的數值。

標準模型中CP破壞有兩個來源，一個是弱電中的CKM矩陣，另一個是強相互作用（QCD）中出現的強CP破壞。但是定量的計算表明，這兩個破壞源都無法滿足Sakharov條件中所要求的破壞量級。另外，這還要求Higgs粒子的質量要小于45Gev，但是實驗已經測得其質量為125Gev。因此，現有標準模型存在不能解釋的問題，是一定要擴充的！

下面說一下電弱重子數產生機制。在標準模型中，因為量子效應的存在導致的反常效應和非阿貝爾規范場真空的特殊性破壞了重子數，這種效應在低溫時是微不足道的，但當溫度高于電弱能標(大致對應于(100) GeV)時，重子數破壞作用將處于熱平衡。這實現了第一個條件，CKM矩陣給出C和CP破壞實現第二個條件。第三個條件是通過一級電弱相變實現的。

在宇宙初期，溫度很高，電磁相互作用和弱相互作用還處于統一狀態，電弱對稱性 還沒有破缺，此時還沒有凈重子數產生。隨著宇宙膨脹，溫度下降到大約100Gev以下時發生電弱相變，正反物質的不對稱性就發生在這個過程。這個過程分為三步:

1.在對稱相的等離子體中的某些地方會發生一級相變，出現破缺相，也就是出現了一個bubble，這個破缺相的bubble區域會逐漸膨脹，bubble壁與外面的對稱相中的離子發生碰撞，如果bubble壁前存在CP破壞因子，那么壁前將產生粒子數密度的CP不對稱性；

2.CP不對稱性通過sphaleron過程產生比反重子多的重子；

3.bubble外產生的凈重子數隨著bubble的快速擴大被納入破缺相中。

如下圖所示：

這個sphaleron過程在高溫下速率很快，而在低溫下，尤其是電弱破缺相中很慢，定量計算結果發現破缺相中的這個過程可以認為是0。

當然了，這個bubble機制雖然很漂亮，但是如之前所說，有些條件如CP破壞強度是達不到的。目前也有很多人提出新的機制和模型來解釋這個謎，具體就涉及細節的計算了，估計不會有人想看。

電弱重子數產生機制最吸引人的地方在于它和 希格斯粒子緊密聯系在一起], 可以在對撞機實驗和引力波實驗上驗證.。當然，還有很多其他的重子數產生機制，比如擴大統一重子數產生機制(GUT baryogenesis)、Affleck-Dine機制、輕子數不對稱產生機制(leptogenesis)等

6、總結

雖然上面說了很多，但是目前對于在宇宙中觀測到正反物質不對稱性的起源，我們仍然是知之甚少。不僅對于粒子物理，對于宇宙學，這同樣是一個非常重要的問題。雖然現在粒子物理學的標準模型是一個非常漂亮的模型，但是對于解釋正反物質不對稱還是不夠，因此，標準模型一定是要擴充的。但是擴充的方向在哪，新的物理現象又會出現在什么地方，或許就需要下一代更高能量的對撞機了吧。

總而言之，

革命尚未成功，同志仍需努力