重子不對稱性

1967年，安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫提出了三個要件，[2]而所有產生重子且使得物質和反物質有不同生成速率的交互作用，都必須滿足這些條件，薩哈羅夫是受到當時新近發現的宇宙背景輻射[3]與K介子系統中出現的CP破壞[4]的啟發，而出現這些想法的。

以下是薩哈羅夫提出的三個要件：

• 重子數（${\displaystyle B}$）守恆的破壞。
• 電荷共軛對稱與CP對稱的破壞。
• 在熱力學平衡之外的交互作用。

重子生成的核心問題是什麼導致了宇宙中物質多於反物質，以及這不平衡的程度，這其中一個重要的量化指標是「不平衡參數」，其公式如下：

${\displaystyle \eta ={\frac {n_{B}-n_{\bar {B}}}{n_{\gamma }}}}$

在此n_B與n_B分別表示重子與反重子的數量密度，而n_γ則是宇宙背景輻射光子的數量密度。[17]

根據大爆炸模型，在絕對溫度大約7003300000000000000♠3000K時候，物質與宇宙背景輻射退耦合，而這表示當時的平均動能大約為7003300000000000000♠3000 K / (7004100800000000000♠10.08×10³ K/eV) = 6980480652946099999♠0.3 eV；在退耦合後，宇宙背景輻射的總光子數大致保持恆定，因此隨著時空的膨脹，其光子密度降低，而在平衡溫度T下每立方公分的光子密度由下式給出：

${\displaystyle n_{\gamma }={\frac {1}{\pi ^{2}}}{\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)}^{3}\int _{0}^{\infty }{\frac {x^{2}}{e^{x}-1}}\operatorname {d} x={\frac {2\zeta (3)}{\pi ^{2}}}{\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)}^{3}\approx 20.3\left({\frac {T}{1{\text{K}}}}\right)^{3}{\text{cm}}^{-3}}$

在其中，k_B是波茲曼常數，ħ是普朗克常数除以2π與真空中的光速c後的值，而ζ(3)則是阿培里常数。[17]由於當今宇宙背景輻射的溫度為7000272500000000000♠2.725 K之故，因此當今宇宙背景輻射光子的密度n_γ大約為每立方公分有411顆宇宙背景輻射光子。

由於這些理由，因此可以認為，上面給出的不平衡參數η不是「最好」的參數，而更好的不平衡參數涉及熵密度s，其公式如下：

${\displaystyle \eta _{s}={\frac {n_{B}-n_{\bar {B}}}{s}}}$

熵密度在宇宙演化的過程中相對保持恆定，而宇宙的熵密度可由下式給出：

${\displaystyle s\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\mathrm {entropy} }{\mathrm {volume} }}={\frac {p+\rho }{T}}={\frac {2\pi ^{2}}{45}}g_{\text{⁎}}(T)T^{3}}$

在其中，p與ρ分別為能量密度張量T_μν給出的壓力與密度；而g_⁎則是在溫度為T（至少在於mc² ≪ k_BT的情況下）時的「無質量」粒子的有效自由度數量，此外，對於在溫度分別為T_i與T_j時，有著g_i與g_j的自由度的玻色子和費米子而言，

${\displaystyle g_{\text{⁎}}(T)=\sum _{\mathrm {i=bosons} }g_{i}{\left({\frac {T_{i}}{T}}\right)}^{3}+{\frac {7}{8}}\sum _{\mathrm {j=fermions} }g_{j}{\left({\frac {T_{j}}{T}}\right)}^{3}}$

在當下，s = 7000704000000000000♠7.04 n_γ。[17]

• CP破壞
• 重子生成
• 未解決的物理學問題