物 質(zhì) 世 界 的 對 稱 性 破 缺

        中國科學(xué)院高能物理研究所  邢志忠 周順

     關(guān)鍵詞 自發(fā)對稱性破缺 CP對稱性破壞 宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱
?    對稱性可以作為工具幫助我們理解自然規(guī)律,比如,時(shí)間(空間)平移不變性意味著能量(動(dòng)量)守恒,而空間旋轉(zhuǎn)不變性對應(yīng)于角動(dòng)量守恒,。然而，自然界中的對稱性絕大部分是破缺的。

1956年,，李政道和楊振寧提出了弱相互作用過程中的宇稱不守恒，而此前人們普遍認(rèn)為物理規(guī)律具有坐標(biāo)反演或鏡像對稱,即宇稱P應(yīng)該是一個(gè)守恒的量子數(shù),。1957年吳健雄等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在弱相互作用中宇稱發(fā)生大程度的破缺,，從而驗(yàn)證了李政道和楊振寧的假說?？紤]到弱相互作用中也不存在電荷共軛變換C的不變性,一些理論家猜想C和P的聯(lián)合變換也許是弱相互作用的守恒量,。可是,，這一觀點(diǎn)在1964年被證明是錯(cuò)誤的,，因?yàn)?/SPAN>科洛恁和費(fèi)馳等人在奇異介子的衰變實(shí)驗(yàn)中首次觀測到了微小的CP破壞效應(yīng)。

2008年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美籍日本理論物理學(xué)家南部陽一郎和日本理論物理學(xué)家小林誠與益川敏英,。南的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了亞原子物理學(xué)中的對稱性自發(fā)破缺機(jī)制,小林和益川的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了弱電規(guī)范相互作用中CP對稱性破壞的起源,，并由此預(yù)言自然界中存在三代夸克。

1.南部與對稱性自發(fā)破缺

1911年,，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)表了一個(gè)驚人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)溫度降到4.2K時(shí),水銀的電阻突然消失了,。他將物質(zhì)的這種特性稱為超導(dǎo)電性。1933年,，德國物理學(xué)家邁斯納和奧克森菲爾德發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全抗磁性,即處在外磁場中的超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場強(qiáng)度為零,。基于已有的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和已提出的唯象模型,美國物理學(xué)家巴丁,、庫珀和施里弗在1957年提出了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論(BCS理論)。簡單來講,超導(dǎo)體內(nèi)部物理機(jī)制的描述可以歸結(jié)為電子和金屬離子之間的電磁相互作用：在費(fèi)米面附近的電子之間可以存在相互吸引的作用力,它由交換聲子(即晶格振動(dòng)的量子)來實(shí)現(xiàn),。當(dāng)兩個(gè)電子之間的這種相互吸引力超過庫侖排斥力的時(shí)候,它們便結(jié)合成對（稱庫珀對）,。庫珀對在動(dòng)量空間的凝聚導(dǎo)致超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間產(chǎn)生有限的能隙，物質(zhì)的超導(dǎo)狀態(tài)就是這些庫珀對的群體效應(yīng),。

1959年,南部試圖從量子場論的角度來理解BCS超導(dǎo)理論,。他認(rèn)為超導(dǎo)體內(nèi)部的電子和金屬離子之間是電磁相互作用,后者可以用阿貝爾規(guī)范理論來描述,于是應(yīng)考慮BCS理論是否規(guī)范不變?

超導(dǎo)體中的庫珀對是自旋相反的兩個(gè)電子,總電荷為-2e,即該系統(tǒng)的基態(tài)破壞規(guī)范不變性。南部發(fā)現(xiàn)從BCS理論推導(dǎo)出超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)依賴于規(guī)范的選擇,而實(shí)際上所有的結(jié)論都可以通過與規(guī)范無關(guān)的方式得到,。這個(gè)分析是理論物理學(xué)家利用對稱性來理解超導(dǎo)現(xiàn)象所邁出的重要一步,，正如著名理論家溫伯格強(qiáng)調(diào)的那樣,超導(dǎo)現(xiàn)象背后的物理機(jī)制是對稱性及其破缺,理解超導(dǎo)理論的關(guān)鍵在于對稱性的自發(fā)破缺：我們只要假設(shè)存在U(1)連續(xù)對稱性的規(guī)范理論自發(fā)破缺到Z2子群,就可以推導(dǎo)出邁斯納效應(yīng)等超導(dǎo)現(xiàn)象。

在BCS理論建立的同一年,費(fèi)曼和蓋爾曼提出了弱相互作用的V-A理論,。他們指出,如果強(qiáng)子部分的矢量流守恒,那么在μ輕子衰變和費(fèi)米型β衰變中的弱相互作用耦合常數(shù)的一致性就很容易理解,。他們進(jìn)一步猜想軸矢流可能也是守恒的。隨后的理論研究表明,軸矢流守恒導(dǎo)致的結(jié)果可以被實(shí)驗(yàn)排除,因?yàn)棣薪樽铀プ兊綆щ娸p子或中微子的過程是禁戒的,。1960年2月,南部向美國《物理評論快報(bào)》提交了一篇僅一頁半的論文,指出軸矢流守恒可在π介子質(zhì)量為零的極限情況下得到,。他在文中最后寫道：“如果重子是由一些基本的費(fèi)米場ψ組成,而費(fèi)米場在變換ψ※exp(iε·τγ5)ψ下是不變的,那么就會出現(xiàn)守恒的軸矢流?！庇纱丝梢钥闯?，南部猜測重子可能有更深層次的結(jié)構(gòu),這比蓋爾曼和茨威格正式提出強(qiáng)子的夸克模型早了近四年。南部還類比了超導(dǎo)的BCS理論,指出“超導(dǎo)現(xiàn)象中的規(guī)范不變性,、能隙和集體激發(fā)在這里可以替換成γ5變換不變性,、重子質(zhì)量和介子。有意思的是,贗標(biāo)介子作為束縛態(tài)會自動(dòng)出現(xiàn)在理論中,?！?SPAN lang=EN-US>1960年10月,南部與其意大利合作者約納·拉西尼奧對上述問題做了進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)有質(zhì)量為零或近似為零的贗標(biāo)量粒子出現(xiàn)時(shí),就意味著理論中一個(gè)精確的或近似的對稱性自發(fā)破缺了。這一系列工作表明南部首先將對稱性自發(fā)破缺機(jī)制引入到基本粒子物理學(xué)領(lǐng)域,。

究竟什么是對稱性自發(fā)破缺?考慮一個(gè)無窮維的物理體系,如果該系統(tǒng)的拉氏量在某個(gè)對稱群變換下保持不變,當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到不滿足這種對稱性的基態(tài)時(shí),我們就稱之為系統(tǒng)的對稱性發(fā)生了自發(fā)破缺,。例如,鐵磁材料在居里溫度之上因?yàn)闆]有磁化而具有空間旋轉(zhuǎn)不變性,這時(shí)描述鐵磁體的原子理論同樣具有這種對稱性。當(dāng)溫度降到居里溫度以下,鐵磁體出現(xiàn)某個(gè)方向的磁化,于是三維空間的旋轉(zhuǎn)不變性被破壞,即系統(tǒng)的對稱性出現(xiàn)了自發(fā)破缺,。超導(dǎo)體是由電磁相互作用來描述的,這里規(guī)范對稱群是定域的U(1)群,帶電荷q的費(fèi)米場依照ψ※exp(iqΛ)ψ的形式變換,。由于q必然是電子電荷e的整數(shù)倍,所以相位Λ和(Λ+2π/e)可以認(rèn)為是等價(jià)的。當(dāng)該體系處于超導(dǎo)態(tài)時(shí),庫珀對電荷數(shù)為2,而且其在基態(tài)的真空期望值不為零,所以系統(tǒng)此時(shí)只有包含對應(yīng)Λ=0和Λ=π/e變換的對稱群,即Z2循環(huán)群,。

1961年,英國理論家哥德斯通發(fā)表了一篇題為“具有超導(dǎo)解的場論”的文章。他指出,在量子場論中當(dāng)系統(tǒng)的拉氏量的連續(xù)對稱性自發(fā)破缺時(shí),會出現(xiàn)質(zhì)量為零的玻色子,。雖然哥徳斯通只是舉例說明了零質(zhì)量粒子的出現(xiàn),但他認(rèn)為這個(gè)結(jié)論是一般成立的,。這個(gè)重要的猜想在1962年得到哥德斯通、薩拉姆和溫伯格嚴(yán)格地證明,，因而對這類伴隨對稱性自發(fā)破缺的零質(zhì)量粒子稱為南部-哥德斯通玻色子,。南部和約那·拉茲尼奧的文章主要討論的是強(qiáng)相互作用和近似手性對稱的自發(fā)破缺,其中質(zhì)量很輕的介子為贗南部-哥德斯通玻色子,。應(yīng)該注意的是,這里的介子與湯川理論中的大不相同,后者是傳遞強(qiáng)相互作用的媒介,而南部的模型中所討論的介子是束縛態(tài)。

對稱性的自發(fā)破缺之所以重要,是因?yàn)樗苯右龑?dǎo)了弱電相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型的建立,。1964年,英國理論家希格斯等人發(fā)現(xiàn),如果系統(tǒng)具有連續(xù)的局域?qū)ΨQ性（規(guī)范對稱性）,那么該對稱性的自發(fā)破缺并不會引入質(zhì)量為零的南部-哥德斯通玻色子,而是使相應(yīng)的規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量,。按照這種觀點(diǎn)的規(guī)范對稱性自發(fā)破缺形式，后來被稱作希格斯機(jī)制,。其實(shí),，基于連續(xù)群SU(2)的規(guī)范理論早在1954年就由楊振寧和米爾斯提出來了。由于當(dāng)時(shí)都認(rèn)為弱相互作用只可能是由有質(zhì)量的規(guī)范玻色子傳遞,在拉氏量中加入規(guī)范場的質(zhì)量項(xiàng)是破壞規(guī)范的不變性,，致使他們的工作在近十年的時(shí)間都沒有引起重視?，F(xiàn)在希格斯機(jī)制正好提供了一種利用對稱性自發(fā)破缺產(chǎn)生規(guī)范玻色子質(zhì)量的可能性。1967年,溫伯格首次完整地建立了用SU(2)L/U(1)Y規(guī)范理論結(jié)合希格斯機(jī)制來統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁相互作用的模型,也就是現(xiàn)在被稱作弱電統(tǒng)一理論的標(biāo)準(zhǔn)模型,。為了實(shí)現(xiàn)規(guī)范對稱性的自發(fā)破缺,溫伯格引進(jìn)了一個(gè)在SU(2)群變換下的標(biāo)量二重態(tài),含有四個(gè)新的自由度,。當(dāng)弱電對稱性自發(fā)破缺后,規(guī)范玻色子吸收掉三個(gè)南部-哥德斯通粒子(對應(yīng)于群的生成元)而獲得質(zhì)量,剩余的自由度對應(yīng)一個(gè)標(biāo)量粒子,叫做希格斯粒子。弱電統(tǒng)一理論與描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)一起被稱為基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型,。當(dāng)時(shí),，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的規(guī)范玻色子已在實(shí)驗(yàn)中全部被發(fā)現(xiàn),僅有被稱作“上帝粒子”的希格斯粒子還沒有找到。歐洲核子研究中心(CERN)所建大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC,，一個(gè)主要的物理目標(biāo)就是尋找希格斯粒子和驗(yàn)證弱電規(guī)范對稱性自發(fā)破缺,。

2.小林-益川CP破壞機(jī)制

盡管溫伯格早在1967年就提出了關(guān)于輕子的弱電規(guī)范相互作用理論,但他的論文在隨后四年時(shí)間內(nèi)卻沒有得到學(xué)術(shù)界的任何關(guān)注和引用。1971年和1972年,年輕的荷蘭物理學(xué)博士生特·霍夫特巧妙地證明了溫伯格理論的可重整性,后者才受到廣泛重視,并逐漸發(fā)展成為描述電磁和弱相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型,。如今溫伯格那篇發(fā)表于1967年,、僅有一頁半長度的歷史性文章已被引用六千六百余次,是基本粒子物理學(xué)領(lǐng)域被引用率最高的學(xué)術(shù)論文。

小林和益川獲2008年諾獎(jiǎng)的論文《弱相互作用可重整化理論中的CP對稱性破壞》僅有短短六頁, 完成于1972年9月（當(dāng)時(shí)兩人都在京都大學(xué)從事博士后研究）,，于1973年2月發(fā)表在日本本土的專業(yè)物理學(xué)雜志《理論物理學(xué)進(jìn)展》上,。小林和益川把溫伯格模型推廣到強(qiáng)子系統(tǒng),但他們當(dāng)時(shí)并沒有采用夸克語言來描述強(qiáng)子的組分,只是使用了相類似的符號。以下面將采用現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的輕子和夸克語言來描述標(biāo)準(zhǔn)模型和小林與益川的CP對稱性破壞機(jī)制,。

小林和益川的基本物理思想是找出標(biāo)準(zhǔn)弱電相互作用理論中CP對稱性破壞的來源,。我們知道，除了CP守恒的動(dòng)能項(xiàng)之外,描述基本粒子弱電相互作用的拉氏量在形式上包含五項(xiàng)：

      L=LG,，  f+LH,，  f+LG，  H+LG+LH

其中G代表規(guī)范玻色子場,、H代表希格斯場,、f代表費(fèi)米子(輕子和夸克)場。整個(gè)拉氏量滿足定域的SU(2)L/U(1)Y規(guī)范對稱性,。我們可以先對矢量場G,、標(biāo)量場H和旋量場f的宇稱(P)和電荷共軛(C)變換的性質(zhì)做適當(dāng)?shù)募s定,然后檢驗(yàn)L的每一項(xiàng)是否滿足CP聯(lián)合變換的不變性。結(jié)果表明,規(guī)范場的自相互作用項(xiàng)LG、希格斯場的自相互作用項(xiàng)LH,、規(guī)范場與希格斯場的相互作用項(xiàng)LG,H以及規(guī)范場和費(fèi)米子場的相互作用項(xiàng)LG,f均可滿足CP對稱性,。唯有希格斯場與費(fèi)米子場的相互作用項(xiàng)LH,f,即通常所謂的湯川相互作用項(xiàng),可能會破壞C和P聯(lián)合變換的不變性。當(dāng)弱電規(guī)范對稱性自發(fā)破缺后,湯川相互作用項(xiàng)LH,f演變成帶電輕子和夸克的質(zhì)量項(xiàng),，對應(yīng)于M-1(電荷-e的輕子),、M+2/3(電荷+2e/3的夸克)和M-1/3(電荷-e/3的夸克)三個(gè)質(zhì)量矩陣。【由于標(biāo)準(zhǔn)模型中不含有右手中微子且假設(shè)輕子數(shù)守恒,故中微子質(zhì)量為零,。近年來的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)表明,中微子存在微小的靜止質(zhì)量并且輕子家族之間存在很顯著的混合,因而輕子部分可能也存在CP不守恒效應(yīng),。這里我們的討論只限于夸克質(zhì)量、夸克混合與CP對稱性破壞,?！?/SPAN>由于中微子質(zhì)量為零,總可以通過適當(dāng)?shù)溺壅儞Q把M-1轉(zhuǎn)化成實(shí)矩陣,因此帶電輕子的質(zhì)量項(xiàng)在場的CP變換下是不變的。對夸克質(zhì)量矩陣M+2/3和M-1/3而言,夸克場的CP變換將導(dǎo)致M+2/3變?yōu)?SPAN lang=EN-US>M＊+2/3和M-1/3變?yōu)?SPAN lang=EN-US>M＊-1/3,。這意味著夸克質(zhì)量項(xiàng)可能是CP不守恒的,除非M+2/3和M-1/3都是實(shí)矩陣,。

需要注意的是,在拉氏量L中出現(xiàn)的夸克場是弱相互作用本征態(tài)而非質(zhì)量本征態(tài)。通過幺正變換V+2/3M+2/3U+2/3和V-1/3M-1/3U-1/3分別把質(zhì)量矩陣M+2/3和M-1/3對角化,我們進(jìn)而可以把兩個(gè)夸克質(zhì)量項(xiàng)分別用相應(yīng)的夸克質(zhì)量本征值和本征態(tài)來表示,。這樣的基變換使得夸克質(zhì)量項(xiàng)不再破壞CP對稱性,但同時(shí)使得從LG,f項(xiàng)經(jīng)過弱電對稱性自發(fā)破缺而衍生出來的帶電流相互作用項(xiàng)LW±(描述W±規(guī)范粒子與不同電荷的夸克之間的相互作用)依賴于一個(gè)幺正矩陣VCKM=V +2/3V-1/3,。該幺正矩陣就是夸克混合矩陣,通常被稱作CKM矩陣（C代表意大利理論家卡比堡,K和M分別代表小林和益川）。倘若VCKM包含不平庸的復(fù)相位,那么LW±在CP變換下將是不守恒的,。換句話說,VCKM是否為實(shí)矩陣決定了標(biāo)準(zhǔn)弱電模型是否具有CP不變性,。

當(dāng)卡比堡于1963年引入著名的卡比堡角來解釋夸克弱相互作用本征態(tài)與質(zhì)量本征態(tài)之間的不匹配時(shí),他實(shí)際上相當(dāng)于取了上面的VCKM為2×2的實(shí)正交矩陣,因而相應(yīng)的LW±項(xiàng)并不破壞整個(gè)理論的CP不變性。小林和益川發(fā)表于1973年的文章直接從拉氏量出發(fā),在逐一檢查了各個(gè)相互作用項(xiàng)的CP變換性質(zhì)之后,把可能的CP破壞的根源歸結(jié)于帶電流相互作用中的VCKM,。他們發(fā)現(xiàn),如果只存在兩代四個(gè)夸克,那么VCKM總可以通過重新定義非物理的夸克場相位而轉(zhuǎn)變成一個(gè)2×2的實(shí)正交矩陣,。他們進(jìn)一步指出,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)弱電模型包含三代六個(gè)夸克時(shí),3×3的幺正矩陣VCKM可以被三個(gè)歐拉角和一個(gè)復(fù)相位參數(shù)化,后者就是CP破壞的來源。事實(shí)上,第四個(gè)夸克(電荷為+2e/3的夸克)直到1974年11月才分別被丁肇中和瑞克特領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),而第三代的b夸克(電荷為-e/3)和t夸克(電荷為+2e/3)則分別于1977年和1995年在高能物理實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn),。至于CP破壞本身的實(shí)驗(yàn)證據(jù),可以追溯到1964年科洛恁和費(fèi)馳等人首次在KL※π+π-衰變中觀測到微小的CP破壞效應(yīng),。隨后人們在中性和帶電K介子的其他衰變道中也發(fā)現(xiàn)了微小的CP不守恒現(xiàn)象。根據(jù)小林和益川的CP不守恒機(jī)制,更為明顯的CP破壞效應(yīng)會出現(xiàn)在B※J/ΧKS等B介子衰變中,。這一理論預(yù)言于2000年至2001年期間在美國SLAC和日本KEK的B介子工廠中被可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)所證實(shí),。如今VCKM矩陣中的三個(gè)夸克混合角和一個(gè)CP破壞復(fù)相位都得到了相當(dāng)精確的實(shí)驗(yàn)測量,并且不同的測量方式所取得的結(jié)果相互自洽。瑞典皇家科學(xué)院諾獎(jiǎng)的評價(jià)是“發(fā)現(xiàn)了破缺的對稱性之根源,從而預(yù)言了自然界中至少存在三代夸克”,。小林和益川的獲獎(jiǎng)?wù)撐闹链吮粚W(xué)術(shù)界引用5500余次,在高能物理領(lǐng)域之論文中排名第二,僅次于溫伯格的獲獎(jiǎng)?wù)撐摹?SPAN lang=EN-US>

3.宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱

盡管小林和益川的CP對稱性破壞機(jī)制取得了成功,但是它卻不讠足以解釋可觀測宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象,。后者可以被看作宇觀尺度的CP對稱性破壞。如何在大爆炸模型的框架之內(nèi)以動(dòng)力學(xué)的方式令人信服地解釋宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱?這是當(dāng)今基本粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的最重大前沿課題之一,。

反物質(zhì)概念最早由英國物理學(xué)家狄拉克于1928年提出,，他建立了描寫自旋粒子的相對論運(yùn)動(dòng)方程(即著名的狄拉克方程),并由此預(yù)言了正電子的存在。1932年,，安德森在研究宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子,。1933年,，狄拉克在諾獎(jiǎng)禮上對物質(zhì)與反物質(zhì)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(guī)律時(shí)接受粒子與反粒子完全對稱的觀點(diǎn),我們就必須認(rèn)定地球上乃至整個(gè)太陽系主要包含電子和質(zhì)子的事實(shí)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(zhì)子構(gòu)成的。實(shí)際情況也許是,半數(shù)的星球由物質(zhì)組成,而另外半數(shù)的星球由反物質(zhì)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(qū)分它們,。”狄拉克這番話代表了一個(gè)新宇宙觀的誕生,，即整個(gè)宇宙包含等量的物質(zhì)與反物質(zhì),而兩者之間是嚴(yán)格對稱的,。

然而，迄今為止的天文學(xué)觀測并不支持狄拉克的假說,。探測宇宙中的反物質(zhì)有兩種途徑：

首先,如果存在反物質(zhì)組成的星系,我們應(yīng)該能夠在宇宙線中觀測到反質(zhì)子和反原子核,就象我們觀測宇宙線中存在的質(zhì)子和原子核一樣,。然而,我們從未在宇宙線中發(fā)現(xiàn)反原子核。雖然我們在宇宙線中觀測到了正電子,、反質(zhì)子和反中子,這些反粒子實(shí)際上是通過質(zhì)子或原子核與星系氣體以及地球大氣層相碰撞而產(chǎn)生的,它們的數(shù)量與理論計(jì)算相符合,。

其次,在物質(zhì)與反物質(zhì)相接的區(qū)域,質(zhì)子和反質(zhì)子的湮滅反應(yīng)一定會發(fā)生,從而產(chǎn)生若干帶電及中性的π介子。這些π介子最終衰變成γ光子,、電子,、正電子、中微子和反中微子,。其中γ光子的譜線很特別,其能量應(yīng)在150MeV附近取最大值,。可是天文學(xué)觀測并沒有發(fā)現(xiàn)這種特殊的γ光子能譜,。

因此物理學(xué)家和天文學(xué)家得出結(jié)論:半徑大約為100億光年的可觀測宇宙基本上不含有反物質(zhì),即其整體上不存在物質(zhì)與反物質(zhì)的對稱性,。換句話說,宇宙的重子(即質(zhì)子和中子)與反重子(即反質(zhì)子和反中子)不對稱確實(shí)存在,盡管它們在大爆炸之初應(yīng)該是成對或等量產(chǎn)生的。

前蘇聯(lián)的氫彈之父薩哈羅夫在1967年指出,宇宙的重子與反重子不對稱可能并不依賴于大爆炸的初始條件,而是從開始的對稱狀態(tài)通過動(dòng)力學(xué)過程演變成后來的完全不對稱狀態(tài),。要實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)力學(xué)演變,，有三個(gè)必要條件，即重子數(shù)破壞,、CP對稱性破壞和熱平衡的偏離,。弱電相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型原則上滿足上述所有三個(gè)條件,但它無法解釋可觀測宇宙的重子數(shù)不對稱之謎(通常用重子數(shù)與光子數(shù)之比nB/nγ≈6.1×10^-10來定量描述)。究其原因有兩點(diǎn):①.由于除了t夸克以外的其他五個(gè)夸克的質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于弱電相變的臨界溫度,所以小林-益川機(jī)制所能給出的與宇宙的重子數(shù)不對稱相關(guān)的CP破壞效應(yīng)太小,僅為10^-19的數(shù)量級;②.由于實(shí)驗(yàn)已經(jīng)給出希格斯粒子的質(zhì)量下限為114GeV,這意味著弱電相變的實(shí)現(xiàn)只能是次級效應(yīng),因此弱電反常的輕子數(shù)加重子數(shù)破壞過程會始終很強(qiáng)烈,從而沖刷掉重子與反重子之間的不對稱,。毫無疑問,合理解釋可觀測宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象需要超出小林-益川CP破壞機(jī)制的新理論,。

國內(nèi)外的理論家和實(shí)驗(yàn)家長期以來一直致力于尋找新的CP破壞之源。有關(guān)研究工作表明,超重的馬約拉納中微子的混合與衰變可望提供足夠大的CP破壞效應(yīng)并導(dǎo)致宇宙的輕子數(shù)不對稱,。這過程隨著宇宙的演化和冷卻最終形成重子數(shù)不對稱,從而合理地回答為什么我們今天生活在物質(zhì)世界而不是反物質(zhì)世界這樣一個(gè)令人費(fèi)解的基本問題,。這就是著名的Baryo-genesisviaLeptogenesis機(jī)制,由日本物理學(xué)家福來正孝和柳田勉在1986年提出。

4.展望

人們期待著在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子,給粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型劃上一個(gè)圓滿的句號,。然而,很多理論物理學(xué)家卻認(rèn)為情況遠(yuǎn)沒有想象中的那么樂觀,建立完整的粒子物理學(xué)理論還有很長的一段路要走,。

首先,雖然描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)在高能區(qū)和實(shí)驗(yàn)觀測一致,但是如何理解低能區(qū)的夸克禁閉現(xiàn)象和強(qiáng)子的性質(zhì)?因此,，我們希望將來強(qiáng)相互作用的非微擾理論在更快更準(zhǔn)確的格點(diǎn)計(jì)算的幫助下可以有所突破。

其次,質(zhì)量的起源問題長期以來都是困擾物理學(xué)家的重大難題,標(biāo)準(zhǔn)模型雖然預(yù)言費(fèi)米子通過湯川相互作用在弱電規(guī)范對稱性自發(fā)破缺后獲得質(zhì)量,但關(guān)鍵的希格斯粒子卻至今沒有被找到,。中微子振蕩實(shí)驗(yàn)告訴我們中微子是有質(zhì)量的,這是唯一超出標(biāo)準(zhǔn)模型且有充足實(shí)驗(yàn)證據(jù)的新物理,。也許將來LHC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以啟發(fā)我們找到正確的質(zhì)量產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

第三,宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的產(chǎn)生仍然沒有答案,。如果標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞機(jī)制不足以解釋我們?yōu)槭裁创嬖?SPAN lang=EN-US>,那么是否存在新的CP破壞機(jī)制呢?此外,暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么?超高能宇宙線的起源是什么?所有這些和其他基本問題都有待于我們的深入研究和探索,。隨著天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測的蓬勃發(fā)展,人類對物質(zhì)世界及其基本規(guī)律的認(rèn)識將必然會有重大進(jìn)展。

              （2008年11月14日）