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重子生成不对称

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第一部分重子不对称的定义和观测证据 2

第二部分重子不对称的萨哈罗夫条件 4

第三部分重子生成理论中的手征破缺机制 6

第四部分电弱对称性破缺与重子不对称 9

第五部分重子生成中的CP破坏和CPT对称性 13

第六部分宇宙暴胀与重子不对称 16

第七部分重子不对称的观测检验 18

第八部分重子不对称的潜在影响 20

第一部分重子不对称的定义和观测证据

关键词

关键要点

重子不对称的定义

1.基本定义：重子不对称是指宇宙中重子数与反重子数之间的差别，表示为正负值。

2.习惯用法：通常以重子数与光子数或熵的比值表示，即重子不对称参数η。

3.物理意义：重子不对称反映了宇宙早期的一种不对称性，是理解物质-反物质不对称之谜的关键。

重子不对称的观测证据

1.宇宙微波背景辐射（CMB）：CMB中的温度各向异性提供了重子不对称存在的证据，与理论预测高度一致。

2.重核丰度：宇宙中的重核丰度可以用来推断重子不对称，两种最主要的重核（氘和氦-4）对重子不对称参数提供了约束。

3.宇宙大尺度结构：大尺度结构的形成和演化也受到重子不对称的影响，通过研究星系、星系团等结构的分布，可以进一步探测重子不对称参数。

重子不对称的定义

重子不对称是指宇宙中重子（即质子和中子）数目和反重子数目的差值，可以表达为：

```

B_U=1-n_bar/n

```

其中：

*B_U为重子不对称度

*n_bar为反重子数量

*n为重子数量

B_U的值通常以十的负数幂表示，例如10^-10。

观测证据

重子不对称的观测证据主要来自以下方面：

宇宙微波背景辐射(CMB)的极化

*宇宙微波背景辐射(CMB)的极化与重子不对称有关。普朗克卫星的观测结果表明，B_U=(5.8±0.5)×10^-10。

大爆炸核合成(BBN)

*大爆炸核合成模型预测了轻元素丰度，例如氢、氦和氘。这些丰度与重子不对称有关。BBN观测结果提供了B_U=(5.4±0.5)×10^-10的估计值。

弥散伽马射线背景(CGB)

*CGB是弥散的伽马射线辐射，其产生机制之一是轻元素湮灭。CGB的观测表明，B_U约为10^-9。

银河系观测

*通过测量银河系中的中子星和白矮星的磁场，可以推断出重子不对称。这些观测提供了B_U=(2.7±0.6)×10^-10的估计值。

重子不对称的重要性

重子不对称在宇宙学中具有重要意义：

*物质主导宇宙的形成：重子不对称解释了为什么宇宙中物质多于反物质，从而导致了物质主导的宇宙的形成。

*大尺度结构的形成：重子不对称影响了宇宙中大尺度结构的形成，例如星系和星系团。

*宇宙膨胀的测量：重子不对称是影响宇宙膨胀率的关键参数，通过测量B_U可以更准确地确定宇宙学参数。

然而，重子不对称的起源仍然是基本粒子物理学中的一个重大谜团。解决这一谜团需要新的物理理论来解释重子数目的守恒性是如何破缺的。

第二部分重子不对称的萨哈罗夫条件

关键词

关键要点

【重子不对称的必要条件】：

*宇宙必须是不对称的：宇宙中物质和反物质的数量不等，物质占据主导地位。

*重子数不守恒：重子的数量在宇宙演化过程中发生了变化。

*轻子数不守恒：轻子的数量在宇宙演化过程中也发生了变化。

【重子不对称的充分条件】：

重子不对称的萨哈罗夫条件

重子不对称是宇宙中重子数目大于反重子数目的现象，这一现象是标准模型物理无法解释的。1967年，苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫提出了三个重子生成不对称的必要条件，也被称为萨哈罗夫条件。这三个条件是：

1.重子数非守恒

标准模型物理中，重子数守恒，这意味着重子数目在任何相互作用中都不会改变。然而，重子生成不对称需要重子数非守恒，即重子数目可以在某些相互作用中产生或湮灭。

2.C和CP破坏

电荷共轭对称性(C对称性)和电荷共轭-宇称对称性(CP对称性)是物理学中的基本对称性。C对称性指粒子和其反粒子的交换是对称的，而CP对称性指粒子和其反粒子的交换和宇称翻转是对称的。

重子生成不对称需要这些对称性被破坏。C破坏意味着粒子及其反粒子在产生率或湮灭率上并不相同，而CP破坏意味着粒子及其反粒子的衰变并不总是相等的。

3.宇宙偏离热平衡状态

重子生成不对称不能在热平衡态中产生。热平衡态是指粒子与反粒子的产生率和湮灭率相等。如果宇宙处于热平衡态，那么重子数目将保持为零，因为粒子及其反粒子的产生率相同，湮灭率也相同。

为了产生重子