宇宙中的反物質消失之謎
引言：最近兩期的《科學世界》主打文章，主角是大名鼎鼎的Hitoshi Murayama（春山齊）。我在先前的博文中有介紹，他擔任Director of the Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (IPMU)，被妻子和朋友簡單地戲稱為Director of the Universe。據說每一個成功的男人背後都有一個或幾個默默奉獻的女人，但我們不一定看得見她們。我們現在看到的是Hitoshi美麗的妻子站在他身邊，兩個人似乎很有夫妻相。
正文：《科學世界》2016年第6期卷首語（邢志忠）
為什麼地球、月亮、太陽、銀河系以及人類自身是由物質（即質子、中子和電子）而不是反物質（即反質子、反中子和正電子）構成的？為什麼我們沒有觀測到足夠數量的反物質存在於宇宙空間之中？諸如此類的問題在1932年以前無人關注,原因在於那時人類所知道的基本粒子僅限於電子、質子和中子。反物質尚未被發現，因此物質與反物質不對稱的問題也無從談起。本期的主打文章《村山齊博士剖析「反物質之謎」》探討的就是這一粒子宇宙學的重大難題。
反物質的概念是英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）在1928年提出來的。他推導了電子的相對論性運動方程,發現具有相同質量但攜帶相反電荷的粒子也滿足該方程,從而預言了電子的反粒子——正電子的存在。1932年,美國物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）通過實驗證實了狄拉克的預言。他發現宇宙線中存在正電子，而且這種粒子能夠與電子成對地產生或湮滅。在1933年底的諾貝爾物理獎頒獎典禮上，狄拉克對物質與反物質之間的對稱性做了精彩的表述。他說：「如果我們在研究自然界的基本物理規律時接受粒子與反粒子完全對稱的觀點，我們就必須認定地球上乃至整個太陽系主要包含電子和質子的事實純屬偶然。很有可能在一些其他的星球上情況正好相反，即這些星球主要是由正電子和反質子構成的。實際情況也許是，半數的星球由物質組成，而另外半數的星球由反物質組成。這兩類星系的光譜完全相同，目前的天文觀測手段無法區分它們。」狄拉克這番話代表了一種新宇宙觀的誕生：整個宇宙包含等量的物質與反物質，兩者之間是嚴格對稱的。
但是迄今為止的天文學觀測並不支持狄拉克的假說。探測宇宙中的反物質有兩種途徑。首先，如果存在由反物質組成的星系，我們應該能夠在宇宙線中觀測到反質子和反原子核，就像宇宙線中存在質子和原子核一樣。然而，我們從未在宇宙線中發現反原子核。雖然我們在宇宙線中觀測到了少量的正電子、反質子和反中子，但這些反粒子實際上是通過質子或原子核與星系氣體以及地球大氣層相碰撞而產生的，它們的數量與理論計算相符合。其次，在物質與反物質相接的區域，質子和反質子的湮滅反應一定會發生，從而產生若干帶電及中性的介子。這些介子最終衰變成光子、電子、正電子、中微子和反中微子。其中光子的譜線很特別，其能量應在150 MeV附近取最大值。可是天文學觀測並沒有發現這種特殊的光子能譜。因此科學家得出結論：半徑大約為100億光年的可觀測宇宙空間中基本不存在反物質，即宏觀上根本不存在狄拉克所預言的物質與反物質之間的對稱性。然而宇宙起源的標準理論認為，物質與反物質在大爆炸之初的確是成對或等量產生的。那麼原初反物質究竟是怎樣消失的呢？
前蘇聯氫彈之父薩哈羅夫（Andrei Sakharov）在1967年指出，宇宙的重子（即質子和中子）與反重子（即反質子和反中子）不對稱可能並不依賴於大爆炸的初始條件，而是從開始的完全對稱狀態通過某種動力學過程演變成後來的完全不對稱狀態。實現這樣的動力學演變需要三個必要條件：重子數破壞、電荷共軛與宇稱聯合對稱性（CP）破壞，以及對熱平衡的偏離。粒子物理學的標準模型原則上滿足上述條件，但它卻無法定量地解釋可觀測宇宙的重子與反重子不對稱之謎。1986年，日本物理學家福來正孝（Masataka Fukugita）和柳田勉（Tsutomu Yanagida）指出：如果早期宇宙空間中存在超重的馬約拉納（Majorana）中微子，它們的衰變過程可望產生足夠大的CP破壞效應並導致輕子與反輕子之間的不對稱，而後者可以通過電弱反常過程轉化成重子與反重子之間的不對稱；隨著宇宙的膨脹和冷卻，重子和反重子對相互湮滅，最終剩餘下來的重子成為構成物質世界的種子。這就是著名的「輕子生成」（Leptogenesis）機制，它合理地回答了為什麼我們今天生活在物質世界而不是反物質世界這樣一個令人費解的基本問題，但我們其實還沒有足夠的理由相信它就是人類苦苦尋找的那個關於反物質消失之謎的真實答案。
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