高能物理学新突破：物质起源之谜正在被揭开！重新理解对称性破缺

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@小白创作中心

高能物理学新突破：物质起源之谜正在被揭开！重新理解对称性破缺

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http://www.360doc.com/content/25/0224/17/13709671_1147528975.shtml

欧洲核子研究中心（CERN）过去几十年一直在寻找标准模型（SM）之外的新物理，结果呢？没找到。这一次，西班牙的理论物理学家们给出了一个可能的新思路——宇宙在最初的高温环境下，超荷（hypercharge）对称性可能已经被自发打破，并且这和宇宙为什么是物质比反物质多有直接关系。

超荷对称性是什么？

简单来说，标准模型的基本对称性之一就是 U(1)Y 超荷对称性。它在宇宙大爆炸后的高温状态下应该是完美存在的，直到宇宙膨胀冷却到一定程度，电弱对称性破缺，才变成今天的电磁力和弱核力。而西班牙团队提出的理论认为，在某些特定的非最小标量（scalar）扩展的情况下，超荷对称性可能在极端高温时就已经被破坏了。这是一种“逆对称性破缺”（inverse symmetry breaking），理论上颠覆了一种长久以来的假设——高温下对称性总是更加完美的。

宇宙为什么是物质比反物质多？

宇宙中为什么物质比反物质多？理论上，宇宙诞生时物质和反物质应该是对称的，后来却变成了几乎只有物质的世界，反物质去哪了？这就是重子不对称问题（baryon asymmetry），物理学家几十年来都在试图破解。

已有的理论框架里，一种可能性是“电弱重子生成”——在宇宙极端高温的早期，电弱对称性破缺的过程中，由于 CP 破坏效应，导致物质和反物质稍有不同，最终让物质占了上风。但这个机制要求相变是强一级的弱相变（strongly first-order phase transition），而标准模型（SM）本身无法满足这个条件。

换句话说，标准模型没法解释为什么我们活在一个充满物质的世界里。

而超荷对称性如果在早期宇宙中就已经被破坏，那事情就不一样了。

西班牙团队发现，如果有额外的标量粒子（rho 和 kappa 这两个新标量场），那么在极端高温环境下，超荷对称性可能先于电弱对称性被打破，而这会给宇宙的相变过程增加一个新的自由度。这个新的自由度可能会带来新的 CP 破坏机制，最终提供一个新的生成重子不对称的通道。

Zee-Babu 模型

这些标量场从哪儿来？Zee-Babu 模型。Zee-Babu 模型是一个标准模型的扩展，专门用来解释中微子质量的来源。标准模型里中微子是严格无质量的，但实验已经确认，中微子确实有质量，并且存在振荡现象。所以标准模型得扩展，Zee-Babu 就是其中之一。

Zee-Babu 模型额外引入了带电的标量粒子 kappa 和 rho，它们可以通过环图（loop diagrams）给中微子提供质量。这套机制本来是用来研究中微子物理的，没想到西班牙团队发现，它其实还可以让超荷对称性在宇宙早期被破坏，进而影响重子不对称。

实验验证的可能性

目前来说，超荷对称性破缺发生在极端高温（比 LHC 碰撞能量高很多），要直接观测是不可能的。但是，这些额外的标量粒子 rho 和 kappa 本身是可以通过实验寻找的。

这张图展示了 rho 和 kappa 这两个新标量粒子的优选质量范围，它们是标准模型（SM）标量扇区的扩展。过去的 LEP 和 LHC 已经探测并排除了一部分可能的质量范围，但仍有一部分（黄蓝区域）是可行的。图中的颜色表示从超荷破缺的宇宙过渡到当前宇宙状态的强度，该强度由希格斯真空期望值与相变温度的相对大小决定。核心结论是：高能对撞机依然是探索这一物理机制的重要工具，它可能帮助我们找到标准模型标量扇区的扩展，并进一步揭示宇宙重子不对称的起源。

LEP（大型电子对撞机）和 LHC（大型强子对撞机）已经排除了一部分参数空间，但黄蓝区域仍然是开放的，也就是说，某些能量范围内 rho 和 kappa 仍然可能存在。如果未来的对撞机，比如 FCC（未来环形对撞机）或者更高能的 muon collider 能探测到这些粒子，那就可以间接验证这个理论的合理性。

这是不是唯一的可能？

理论物理学里，从一个模型推出一个结论不难，难的是证明这是唯一可能的路径。西班牙团队的研究是基于 Zee-Babu 扩展模型，但类似的“非最小标量”理论还有很多，比如左-右对称模型（Left-Right Symmetric Model），或者其他辐射性中微子质量模型（Radiative Neutrino Mass Models），它们是不是也能实现同样的效果？这仍然是开放问题。