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重子生成（Baryogenesis）

現(xiàn)代物理學(xué)中，其中一個難題就是“為何宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多？”。整體來說，宇宙的重子數(shù)密度是非零的——即物質(zhì)是存在的。因宇宙學(xué)已假定我們所見的粒子是用我們現(xiàn)存的物理學(xué)創(chuàng)造的，照理整體重子數(shù)應(yīng)該是零，因為創(chuàng)造物質(zhì)和反物質(zhì)時理應(yīng)是等量的。許多提出對稱性破缺的假設(shè)機制都認為只要在特定條件下，普通物質(zhì)（對應(yīng)反物質(zhì)）是可以被創(chuàng)造的。這個失衡的情況是異常的少，在宇宙大爆炸之后的瞬間每100億（10）個粒子中只有一個會這樣失衡，但當大部分物質(zhì)與反物質(zhì)互相碰觸并湮滅后，現(xiàn)存宇宙剩下的就只有重子物質(zhì)和比它更大量的玻色子。

多數(shù)大統(tǒng)一理論（GUTs）明確地否定了重子數(shù)的對稱性，可用來解釋這個矛盾，最典型的是引起以超重X玻色子（下稱X）或重希格斯玻色子（T）作媒介的反應(yīng)。發(fā)生這些事件的速率主要決定于媒介 X 或 T 粒子的質(zhì)量，因此假設(shè)這些反應(yīng)是基于現(xiàn)今多數(shù)所見的重子數(shù)，那最大質(zhì)量就可以計算出來，用來解釋現(xiàn)存物質(zhì)的話，會發(fā)現(xiàn)速率過慢。這些估計預(yù)測，即是用上現(xiàn)時最大可用的還原能量，大量的物料將會周期性地發(fā)生自發(fā)性質(zhì)子衰變。

有關(guān)實驗及證據(jù)

質(zhì)子衰變是各式提議的 GUTs 中少數(shù)可觀察影響的一種，其他主要是磁單極。兩者自1980年代初成為實驗物理學(xué)中的主要研究焦點。

其中一個大統(tǒng)一理論的預(yù)言是，構(gòu)成通常物質(zhì)的大部分質(zhì)量的質(zhì)子能自發(fā)衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。其原因在于，在大統(tǒng)一能量下，夸克和反電子之間沒有本質(zhì)的不同。正常情況下一個質(zhì)子中的三個夸克沒有足夠能量轉(zhuǎn)變成反電子，由于測不準原理意味著質(zhì)子中夸克的能量不可能嚴格不變，所以，其中一個夸克能非常偶然地獲得足夠能量進行這種轉(zhuǎn)變，這樣質(zhì)子就要衰變?？淇艘玫阶銐蚰芰康母怕适侨绱酥?，以至于至少要等100萬億億億年（10年--100壤）才能有一次。這比宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年，10年）要長得多了。因此，人們會認為不可能在實驗上檢測到質(zhì)子自發(fā)衰變的可能性。但是，我們可以觀察包含極大數(shù)量質(zhì)子的大量物質(zhì)，以增加檢測衰變的機會。（譬如，如果觀察的物件含有10個質(zhì)子，按照最簡單的 GUT，可以預(yù)料在一年內(nèi)應(yīng)能看到多于一次的質(zhì)子衰變。）

質(zhì)子衰變曾有一段時期是實驗物理學(xué)中一個非常觸目的領(lǐng)域，但目前為止，所有試圖觀察這個衰變的實驗無一成功。

有一個實驗是用了8千噸水在美國俄亥俄州的莫爾頓鹽礦里進行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會和質(zhì)子衰變相混淆的事件發(fā)生）。由于在實驗中沒有觀測到自發(fā)的質(zhì)子衰變，因此可以估算出，可能的質(zhì)子壽命至少應(yīng)為1千萬億億億年（10年）。這比簡單的大統(tǒng)一理論所預(yù)言的壽命更長。然而，一些更精致更復(fù)雜的大統(tǒng)一理論預(yù)言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質(zhì)進行檢驗。

近來日本利用超級神岡探測器在水中探測切連科夫輻射的實驗中，指出如果質(zhì)子完全衰變，半衰期必定至少長達 10 年。

人們進行了一系列的實驗，可惜沒有一個得到質(zhì)子衰變的確實證據(jù)。

理論衰變過程

盡管質(zhì)子衰變的觀察證據(jù)缺乏，但有部分大統(tǒng)一理論（GUTs）依然需要這些觀察證據(jù)支持。根據(jù)一些 GUTs，質(zhì)子的半衰期大約為 10 年，衰變后會產(chǎn)生正電子和中性π介子，而中性π介子會再度衰變產(chǎn)生兩個單位的伽馬射線（γ）：

額外的衰變模式是可行的，當中包括直接及透過與 GUT 預(yù)測的磁單極催化時的相互作用。雖然這個過程仍未從實驗中觀察到，但透過將來計劃的兆噸級超大尺度探測器，將可進入了實驗可測階段，此類探測器包括日本的Hyper-Kamiokande。

早期的各式大統(tǒng)一理論（GUTs）是首個對質(zhì)子衰變有一致性的理論，當中預(yù)言質(zhì)子半衰期可能至少 10 年。直至1990年代進行的各項實驗和計算，表明質(zhì)子半衰期不能低于 10 年，那時期的書籍大多提到這個數(shù)字以說明重子物質(zhì)的可能衰變時間。

雖然這現(xiàn)象叫“質(zhì)子衰變”，但此現(xiàn)象亦可能在中子撞擊原子核時出現(xiàn)。自由中子（不在原子核內(nèi)的中子）已知可以在一個叫“β衰變”的過程中衰變成質(zhì)子（加一粒電子和一粒反中微子），自由中子的半衰期因為弱相互作用關(guān)系而只有10分鐘。

衰變算子

Dimension-6 質(zhì)子衰變算子

它們是 qqqlΛ Λ -->2{\displaystyle {\frac {qqql}{\Lambda ^{2}}}}、dcdcucecΛ Λ -->2{\displaystyle {\frac {d^{c}d^{c}u^{c}e^{c}}{\Lambda ^{2}}}}、ecˉ ˉ -->ucˉ ˉ -->qqΛ Λ -->2{\displaystyle {\frac {{\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq}{\Lambda ^{2}}}} 和 dcˉ ˉ -->ucˉ ˉ -->qlΛ Λ -->2{\displaystyle {\frac {{\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}ql}{\Lambda ^{2}}}}，當中 Λ 是 標準模型的截止尺度（cutoff scale）。所有這些算子都違犯了重子數(shù)（baryon number）和輕子數(shù)（lepton number），但 B?L 的結(jié)合除外。

在 GUT 模型中，一個質(zhì)量為 ΛGUT 的X或Y玻色子轉(zhuǎn)換可導(dǎo)致最后兩個算子以 1Λ Λ -->GUT2{\displaystyle {\frac {1}{\Lambda _{GUT}^{2}}}} 抑制。而質(zhì)量為 M 的三線峰希格斯玻色子轉(zhuǎn)換可導(dǎo)致全部四個算子以 1/M 抑制。詳見二線峰-三線峰分裂問題（Doublet-triplet splitting problem）

Dimension-5 質(zhì)子衰變算子

在超對稱擴展中（例如超對稱最小擴展模型，MSSM），包含兩個費米子和兩個標量費米子的 Dimension-5 算子可從一個質(zhì)量為 M 的 tripletino 的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生，而標量費米子會轉(zhuǎn)換伴膠子或伴引力子或伴希格斯玻色子并剩下兩個費米子，最后一幅總費曼圖會出現(xiàn)一個回路（和其他與強相互作用物理有關(guān)的復(fù)雜因子）。衰變速率會被 1MMSUSY{\displaystyle {\frac {1}{MM_{SUSY}}}} 抑制，當中 MSUSY 是超對稱粒子的質(zhì)量尺度。

Dimension-4 質(zhì)子衰變算子

在缺乏 matter parity 的情況下,標準模型的超對稱擴展可令最后一個算子以 sdown夸克質(zhì)量的平方反比抑制，這是與 dimension-4 衰變算子有關(guān)：

質(zhì)子衰變速率只會被 1MSUSY2{\displaystyle {\frac {1}{M_{SUSY}^{2}}}} 抑制，除非那對結(jié)合體非常的小，否則衰變速率是非?？斓摹?/span>

參見

B?L

大統(tǒng)一理論（GUT）

X 和Y 玻色子

延伸閱讀

K. Hagiwara et al.,"Particle Data Group current best estimates of proton lifetime", Phys. Rev. D 66, 010001 (2002) ISBN 978-0684865768

Adams, Fred and Laughlin, Greg The Five Ages of the Universe : Inside the Physics of Eternity ISBN 0-684-86576-9

Krauss, Lawrence M. Atom : An Odyssey from the Big Bang to Life on Earth ISBN 0-316-49946-3

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