CP破坏之谜：宇宙物质-反物质不对称的基石

发表于2025-07-22|更新于2025-07-26|科技前沿

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各位技术爱好者、物理世界的好奇探索者们，大家好！我是你们的博主qmwneb946。

今天，我们将一同踏上一段深邃的宇宙之旅，去探寻一个看似抽象却又无比根本的问题：我们的宇宙，为何是由物质而非反物质主导？为什么我们没有发现与地球相似的反物质行星，反物质星系？这个问题的答案，可能隐藏在一个看似违反直觉的物理现象之中——CP破坏。它不仅是粒子物理标准模型中的一个关键部分，更是解释宇宙诞生初期物质-反物质不对称（即重子不对称）现象的基石。

准备好了吗？让我们一同揭开CP破坏的神秘面纱，理解它如何为宇宙留下了生命的印记。

宇宙的失衡：物质-反物质不对称的奥秘

当我们仰望星空，所见的一切——行星、恒星、星系，甚至我们自身——都是由物质构成的。但在物理学的基本定律中，物质与反物质似乎享有近乎完美的对称性。对于每一个基本粒子，都存在一个与之对应的反粒子，它们的质量、寿命、自旋都相同，但电荷和其他量子数（如重子数、轻子数）则符号相反。例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。

大爆炸理论与粒子对的产生

根据大爆炸理论，在宇宙诞生的最初极短瞬间，宇宙处于极高温、高密度的状态。能量可以转化为物质和反物质对，反之亦然，遵循爱因斯坦的质能方程 $E=mc^2$ 。在早期宇宙的炽热等离子体中，粒子和反粒子不断地产生和湮灭：

$\gamma + \gamma \leftrightarrow e^+ + e^-$

$\gamma + \gamma \leftrightarrow p + \bar{p}$

如果这种产生与湮灭过程完全对称，那么当宇宙膨胀冷却到一定程度，不足以产生新的粒子对时，所有的物质和反物质应该会相互湮灭，最终只留下光子。然而，我们所处的宇宙并非如此。它充满了物质，而几乎没有原始的反物质。

对称性与守恒定律

在物理学中，对称性是一个极其深刻且强大的概念。它与守恒定律紧密相连。例如，时间平移对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守恒，空间旋转对称性对应角动量守恒。在粒子物理中，一些重要的对称性包括：

电荷共轭（C）对称性：将所有粒子的电荷和所有内部量子数（如重子数、轻子数、奇偶性等）都替换成它们反粒子的相应值。简而言之，就是把粒子变成反粒子。如果物理定律在C变换下不变，则称其C对称。
空间反演（P）对称性：将所有粒子的空间坐标 $x, y, z$ 变为 $-x, -y, -z$ 。这相当于在一个镜子中观察物理过程。如果物理定律在P变换下不变，则称其P对称。
时间反演（T）对称性：将所有粒子的运动方向颠倒，时间 $t$ 变为 $-t$ 。这相当于让物理过程倒带。如果物理定律在T变换下不变，则称其T对称。

在很长一段时间里，物理学家认为自然界的基本相互作用（强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用）都应该遵守这些对称性。然而，实验却一次次地打破了这种简单的观念。

为什么没有反物质星系？

这是一个看似简单，实则蕴含宇宙深层秘密的问题。如果在宇宙大爆炸初期物质和反物质的数量是精确相等的，那么当宇宙冷却时，它们就会完全湮灭，只留下光子。但现在我们知道，宇宙中每约 $10^9$ 个光子中，才有一个重子（构成普通物质的粒子，如质子和中子）。这意味着在早期宇宙中，每 $10^9$ 对物质-反物质粒子对中，就多出了一个物质粒子，正是这些微小的盈余，构成了我们今天所见的整个宇宙。

这个微小的物质盈余，被称为宇宙重子不对称性，通常用重子数密度与光子数密度的比值来表示：

$\eta_B = \frac{n_B}{n_\gamma}$

根据宇宙微波背景辐射（CMB）的观测，这个比值大约是 $\eta_B \approx 6 \times 10^{-10}$ 。这意味着在宇宙诞生时，物质比反物质多出了十亿分之一的量。正是这种微小的不平衡，决定了宇宙的命运，并允许了恒星、星系乃至生命的形成。

那么，这种不对称性是如何产生的呢？这正是CP破坏的关键作用所在。

对称性与CP对称性

在深入CP破坏的细节之前，我们有必要更详细地了解CP对称性本身。

物理学中的对称性

物理学中的对称性通常表示为物理定律在某种变换下保持不变。这就像一个几何图形在旋转或翻转后仍然保持原样一样。

空间反演 (P)：
P变换将一个物理系统变换为它的镜像，即将所有空间坐标 $(x, y, z)$ 变为 $(-x, -y, -z)$ 。例如，一个左手螺旋在P变换下会变成一个右手螺旋。如果一个过程在P变换后依然符合物理定律，那么这个过程就P对称。
在1950年代之前，物理学家们普遍认为所有的物理定律都应该遵守P对称。然而，李政道和杨振宁在1956年提出了在弱相互作用中P对称性可能不守恒的理论，随后吴健雄等人在1957年通过钴-60的 $\beta$ 衰变实验证实了这一点。吴健雄实验发现，在极低温下，钴-60原子核衰变时发射的电子，其方向与原子核自旋方向存在不对称性，这直接违背了P对称。
电荷共轭 ©：
C变换将所有粒子替换为它们的反粒子。例如，电子变成正电子，质子变成反质子，同时所有内部量子数（如电荷、重子数、轻子数）反号。如果一个过程在C变换后依然符合物理定律，那么这个过程就C对称。
同样，在吴健雄实验发现P破坏后不久，物理学家也发现弱相互作用也破坏了C对称性。例如，中微子总是左手性的，而反中微子总是右手性的。C变换会将左手性的中微子变为左手性的反中微子，但自然界中不存在左手性的反中微子，因此C对称性被破坏。
时间反演 (T)：
T变换将时间方向颠倒，即 $t \to -t$ 。这相当于让一个物理过程倒放。如果一个过程在T变换后依然符合物理定律，那么这个过程就T对称。直接观测T破坏非常困难，因为你需要精确地记录一个过程的正向和反向。

CP对称性：粒子的镜中世界

由于C和P都单独在弱相互作用中被破坏，物理学家们提出了一种组合对称性——CP对称性。CP变换是指同时进行电荷共轭和空间反演。如果物理定律在CP变换下不变，那么这个过程就CP对称。在弱相互作用中，虽然P和C都单独被破坏，但人们曾经寄希望于它们的组合CP依然是守恒的。

CP对称性意味着一个物理过程（比如粒子衰变）在经过CP变换后，其衰变率应该与原过程的反粒子（在镜像世界中）的衰变率完全相同。形式上，对于一个粒子 $|\psi\rangle$ 及其衰变过程，CP变换将它变为反粒子 $|\bar{\psi}\rangle$ ：

$\text{CP} |\psi\rangle = |\bar{\psi}\rangle$

如果CP守恒，那么粒子衰变到某一特定末态的振幅 $A$ 与反粒子衰变到反末态的振幅 $\bar{A}$ 之间应满足一定的关系，使得它们的衰变率相等，即 $|\mathcal{M}|^2 = |\bar{\mathcal{M}}|^2$ ，其中 $\mathcal{M}$ 是矩阵元。

CPT定理

在粒子物理中，有一个非常重要的定理叫做CPT定理。它指出，在所有合理的量子场论中，如果满足一些基本假设（如洛伦兹不变性、局域性和幺正性），那么所有物理定律都必须遵守CPT联合对称性。这意味着如果C、P、T三个变换同时进行，物理定律是守恒的。

CPT定理的推论是：如果CPT守恒，那么如果CP对称性被破坏，T对称性也必须被破坏。反之亦然。CPT定理是粒子物理的基石之一，它保证了粒子和反粒子具有相同的质量和寿命。迄今为止，所有实验都支持CPT定理。因此，观测到CP破坏，也就意味着T破坏。

CP破坏的发现之旅

CP破坏的发现，是20世纪物理学中最令人震惊的发现之一。它颠覆了物理学家对基本对称性的理解，并为我们理解宇宙的起源提供了一把钥匙。

K介子的奇特行为

CP破坏的首次发现，发生在对K介子（Kaon）的衰变研究中。K介子是一种由一个奇夸克或反奇夸克与一个上夸克或下夸克组成的介子。其中，中性K介子 $K^0$ 和它的反粒子 $\bar{K}^0$ （由 $d\bar{s}$ 和 $s\bar{d}$ 夸克组成）表现出非常独特的量子力学混合特性。

由于弱相互作用，它们可以相互转化：

$K^0 \leftrightarrow \bar{K}^0$

这种混合导致了两种寿命和衰变模式不同的物理态：

短寿命K介子 ( $K_S^0$ )：它的CP本征值为 $+1$ ，主要衰变为两个 $\pi$ 介子（ $\pi^+\pi^-$ 或 $\pi^0\pi^0$ ）。CP守恒下，它的波函数可以近似表示为：
$|K_S^0\rangle \approx \frac{1}{\sqrt{2}}(|K^0\rangle + |\bar{K}^0\rangle)$
长寿命K介子 ( $K_L^0$ )：它的CP本征值为 $-1$ ，主要衰变为三个 $\pi$ 介子（ $\pi^+\pi^-\pi^0$ 或 $\pi^0\pi^0\pi^0$ ），或者半轻子衰变（ $K_L^0 \to \pi e \nu_e$ ）。CP守恒下，它的波函数可以近似表示为：
$|K_L^0\rangle \approx \frac{1}{\sqrt{2}}(|K^0\rangle - |\bar{K}^0\rangle)$

根据CP守恒定律，CP本征值为 $-1$ 的 $K_L^0$ 应该不能衰变为CP本征值为 $+1$ 的两个 $\pi$ 介子。也就是说， $K_L^0 \to \pi^+\pi^-$ 或 $K_L^0 \to \pi^0\pi^0$ 的衰变是被CP守恒定律禁止的。

Cronus-Christenson-Fitch-Turlay (CCFT) 1964 实验

1964年，美国普林斯顿大学的詹姆斯·克罗宁（James Cronin）、瓦尔·费奇（Val Fitch）及其团队（包括Rene Turlay和James Christenson）进行了一项K介子衰变实验。他们的目标是精确测量 $K_L^0$ 的衰变模式。令世界震惊的是，他们观察到了极少量（约0.2%）的 $K_L^0$ 衰变到了 $\pi^+\pi^-$ 末态。

这个实验结果直接违背了CP对称性。尽管衰变分支比非常小，但它无可辩驳地证明了CP对称性在弱相互作用中是被破坏的。这一发现彻底改变了粒子物理学的图景，克罗宁和费奇因此获得了1980年的诺贝尔物理学奖。

B介子系统中的CP破坏

K介子系统中的CP破坏效应非常小，不足以解释宇宙中的重子不对称性。物理学家们推测，更强的CP破坏效应可能存在于含有更重夸克的粒子系统中。20世纪90年代末到21世纪初，美国斯坦福大学的BaBar实验和日本筑波大学的Belle实验，专注于研究B介子（含有底夸克的介子）的衰变。

B介子（如 $B^0$ 和 $\bar{B}^0$ ，由 $d\bar{b}$ 和 $b\bar{d}$ 夸克组成）也存在类似于K介子的混合和振荡。理论预言，在B介子系统中CP破坏效应应该比K介子系统大得多。这两个“B工厂”实验在2001年同步宣布，他们观察到了 $B^0 - \bar{B}^0$ 混合中显著的CP破坏现象。这项发现证实了标准模型对CP破坏的预测，也意味着CP破坏效应确实可以在不同夸克世代之间产生。

CKM矩阵

标准模型如何自然地引入CP破坏？答案就在于卡比博-小林-益川（Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, CKM）矩阵。

在标准模型中，夸克分为三代（上-下，粲-奇，顶-底）。弱相互作用允许夸克在不同世代之间进行转化（比如上夸克衰变为下夸克）。然而，这种转化并非在“风味本征态”之间直接进行，而是通过一个混合矩阵来实现的。CKM矩阵描述了具有相同电荷的夸克在弱相互作用中的混合：

$V_{CKM} = \begin{pmatrix} V_{ud} & V_{us} & V_{ub} \\ V_{cd} & V_{cs} & V_{cb} \\ V_{td} & V_{ts} & V_{tb} \end{pmatrix}$

其中， $V_{ij}$ 表示上型夸克 $u, c, t$ 与下型夸克 $d, s, b$ 之间弱相互作用跃迁的耦合强度。这个3x3的矩阵是幺正的（即 $V_{CKM}^\dagger V_{CKM} = I$ ），并且它的元素可以是复数。

小林诚和益川敏英在1973年指出，如果存在三代夸克，那么CKM矩阵中就必然包含一个不可约的复数相位。正是这个复数相位，导致了CP对称性的破坏。如果只有两代夸克，CKM矩阵是2x2的，且所有复数相位都可以通过夸克场的重新定义来消除，因此无法产生CP破坏。三代夸克的存在是CP破坏在标准模型中必然发生的必要条件。小林诚和益川敏英因此与南部阳一郎共同获得了2008年的诺贝尔物理学奖。

Jarlskog不变量：
CKM矩阵中的唯一CP破坏相位，可以通过一个被称为Jarlskog不变量 $J$ 的量来量化。对于任何一对夸克（例如 $u, c$ 与 $d, s$ ），Jarlskog不变量可以表示为：

$J = \mathrm{Im}(V_{ud} V_{cs} V_{us}^* V_{cd}^*)$

更一般地，对于任何三个夸克世代 $i, j, k$ 和 $l, m, n$ ，Jarlskog不变量定义为：

$J_{ij, kl} = \mathrm{Im}(V_{ik} V_{jl} V_{il}^* V_{jk}^*)$

在一个3x3的CKM矩阵中，所有Jarlskog不变量都具有相同的大小（相差一个正负号），这表明CKM矩阵中只有一个CP破坏源。这个不变量的大小约为 $3 \times 10^{-5}$ 。它告诉我们标准模型所能产生的CP破坏的强度。

CP破坏的微观机制

理解了CKM矩阵是标准模型CP破坏的来源，我们再来深入探讨CP破坏的具体表现形式和微观机制。

弱相互作用与CKM矩阵

CP破坏之所以只发生在弱相互作用中，是因为只有弱相互作用能够改变夸克的“风味”（即从一种夸克变为另一种夸克），而这种风味改变是由CKM矩阵来描述的。强相互作用（如夸克之间的胶子交换）和电磁相互作用（如电子与光子之间的相互作用）都与夸克的风味无关，因此它们不会导致CP破坏。

在弱相互作用中，一个夸克可以发射或吸收一个W玻色子，从而转化为另一个夸克。例如，一个下夸克 $d$ 可以发射一个 $W^-$ 玻色子，转化为一个上夸克 $u$ 。这个过程的强度由CKM矩阵中的相应元素决定，例如 $V_{ud}$ 。
粒子衰变通常涉及多个弱相互作用顶点的组合，对应费曼图中的多个节点。当一个衰变过程存在多条路径（或同一路径中存在循环），并且这些路径的振幅包含CKM矩阵中带有复数相位的元素时，这些不同路径之间的干涉就会导致CP破坏。

唯象描述与标准模型

CP破坏可以分为几种类型，它们在K介子和B介子系统中表现不同：

直接CP破坏（Direct CP Violation）：
指粒子衰变到特定末态的振幅 $A$ 与反粒子衰变到反末态的振幅 $\bar{A}$ 之间，其模长不相等，即 $|A| \neq |\bar{A}|$ 。这通常发生在衰变过程本身。在CKM框架下，这要求衰变过程至少有两条不同的树图或圈图贡献，且它们具有不同的弱相位（由CKM矩阵给出）和不同的强相位（由末态相互作用给出）。
例如，在 $K \to \pi\pi$ 衰变中，直接CP破坏的参数是 $\epsilon'$ 。实验已经证实了 $\epsilon'$ 的存在，其值非常小。

$\Gamma(K^+ \to \pi^+ \pi^0) \neq \Gamma(K^- \to \pi^- \pi^0)$

$\text{or } \Gamma(B^0 \to K^+\pi^-) \neq \Gamma(\bar{B}^0 \to K^-\pi^+)$

对于衰变振幅 $A = \sum_i A_i e^{i\delta_i} e^{i\phi_i}$ ，其中 $\delta_i$ 是强相互作用相位， $\phi_i$ 是弱相互作用相位。
反粒子的衰变振幅 $\bar{A} = \sum_i A_i e^{i\delta_i} e^{-i\phi_i}$ 。
如果至少有两个路径 $i, j$ ，它们的 $\delta_i \neq \delta_j$ 且 $\phi_i \neq \phi_j$ ，则可能导致 $|A|^2 \neq |\bar{A}|^2$ 。
间接CP破坏（Indirect CP Violation）：
指由粒子-反粒子混合引起的CP破坏。当一个中性介子（如 $K^0$ 或 $B^0$ ）可以振荡为其反粒子时，如果混合的本征态不是CP本征态，就会导致间接CP破坏。其衰变率不对称性体现在：

$\frac{\Gamma(K_L^0 \to \pi^+\pi^-)}{\Gamma(K_S^0 \to \pi^+\pi^-)} \neq 0$

K介子系统中的 $\epsilon$ 参数就是间接CP破坏的量度，它描述了CP本征态 $K_1, K_2$ 与质量本征态 $K_S^0, K_L^0$ 之间的混合程度：

$|K_L^0\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}}(|K_2\rangle + \epsilon|K_1\rangle)$

其中 $|K_1\rangle$ 是CP偶态， $|K_2\rangle$ 是CP奇态。 $\epsilon$ 的存在意味着 $K_L^0$ 中混入了少量的CP偶态成分，从而允许它衰变到双 $\pi$ 末态。
振荡诱导的CP破坏（CP Violation in Mixing and Decay）：
这在B介子系统中尤为显著，尤其是在 $B^0-\bar{B}^0$ 振荡与衰变过程的干涉中。通过测量 $B^0$ 衰变到某个末态的衰变率与 $\bar{B}^0$ 衰变到反末态的衰变率的随时间演化差异来体现。
例如，对于 $B^0 \to J/\psi K_S^0$ 的衰变，可以通过测量衰变产物对末态的CP不对称性来确定CP破坏的相位角 $\sin(2\beta)$ 。BaBar和Belle实验对 $\sin(2\beta)$ 的测量是CKM矩阵理论的一个巨大成功。

代码块示例：CKM矩阵中的复数相位概念
虽然我们无法直接用简单的代码模拟复杂的量子场论计算，但我们可以用Python来展示复数相位在衰变振幅中的作用，以及它如何与CP破坏的概念相关联。

import cmath
import numpy as np

print("--- 衰变振幅中的复数相位示意 ---")

# 假设有两个不同的衰变路径 A1 和 A2
# 每个路径的振幅都有一个强度（模长）和一个相位
# 物理学中的相位通常分为“强相位”和“弱相位”
# 弱相位来自CKM矩阵的复数元素，是CP破坏的来源
# 强相位来自末态粒子之间的强相互作用

# 路径1的振幅：A1 = |A1| * e^(i * (phi1 + delta1))
# 路径2的振幅：A2 = |A2| * e^(i * (phi2 + delta2))

# 假设的振幅强度
abs_A1 = 1.0
abs_A2 = 0.5

# 假设的弱相位 (CP破坏的来源)
# 注意：phi1和phi2是相对的，关键在于它们的差值
phi1_weak = 0.0
phi2_weak = cmath.pi / 3  # 例如，60度，一个非零的弱相位差

# 假设的强相位 (末态相互作用)
# 注意：delta1和delta2也是相对的，关键在于它们的差值
delta1_strong = 0.0
delta2_strong = cmath.pi / 4  # 例如，45度，一个非零的强相位差

# 粒子衰变的总振幅 A
A_particle_path1 = abs_A1 * cmath.exp(1j * (phi1_weak + delta1_strong))
A_particle_path2 = abs_A2 * cmath.exp(1j * (phi2_weak + delta2_strong))
A_total_particle = A_particle_path1 + A_particle_path2

# 反粒子衰变的总振幅 A_bar
# 反粒子振幅的弱相位会反号 (phi -> -phi)，而强相位不变 (delta -> delta)
A_antiparticle_path1 = abs_A1 * cmath.exp(1j * (-phi1_weak + delta1_strong))
A_antiparticle_path2 = abs_A2 * cmath.exp(1j * (-phi2_weak + delta2_strong))
A_total_antiparticle = A_antiparticle_path1 + A_antiparticle_path2

print(f"粒子衰变路径1振幅: {A_particle_path1:.4f}")
print(f"粒子衰变路径2振幅: {A_particle_path2:.4f}")
print(f"粒子衰变总振幅 A: {A_total_particle:.4f}")
print(f"反粒子衰变总振幅 A_bar: {A_total_antiparticle:.4f}")
print("-" * 40)

# CP破坏发生当 |A|^2 != |A_bar|^2
# 衰变率与振幅的模方成正比
rate_particle = abs(A_total_particle)**2
rate_antiparticle = abs(A_total_antiparticle)**2

print(f"粒子衰变率: {rate_particle:.6f}")
print(f"反粒子衰变率: {rate_antiparticle:.6f}")

# 判断是否存在CP破坏
if not np.isclose(rate_particle, rate_antiparticle):
    print("\nCP破坏存在！")
    print(f"不对称性 (Rate_particle - Rate_antiparticle) / (Rate_particle + Rate_antiparticle): "
          f"{(rate_particle - rate_antiparticle) / (rate_particle + rate_antiparticle):.4f}")
else:
    print("\nCP破坏不存在。")

# 总结：要产生CP破坏，需要满足以下条件：
# 1. 存在至少两条衰变路径。
# 2. 这些路径的弱相位（phi）不同。
# 3. 这些路径的强相位（delta）也不同。
# 如果弱相位相同或强相位相同，则无法通过干涉产生CP破坏。

这个代码片段展示了，只有当存在多条衰变路径，并且这些路径的弱相位（来自CKM矩阵）和强相位（来自末态相互作用）都有相对差异时，通过它们的干涉，才能导致粒子和反粒子衰变率的不同，从而表现出CP破坏。这是直接CP破坏的数学核心。

CP破坏与重子不对称性

CP破坏在粒子物理学中的重要性不言而喻，但其更深远的意义在于它可能是解释宇宙中物质-反物质不对称性的关键。

萨哈罗夫条件

1967年，苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出了产生宇宙重子不对称性所必需的三个条件，这些条件被称为萨哈罗夫条件：

重子数（B）不守恒：
为了产生重子盈余，必须存在某些过程，使得重子的总数在一定时期内不守恒。这意味着可以在没有等量反重子产生的情况下产生重子。在标准模型中，重子数在电弱相互作用中是非扰动地被破坏的（例如通过瞬子，Sphaleron），但在扰动理论中是守恒的。
C和CP对称性破坏：
如果C和CP对称性是守恒的，那么重子和反重子的产生速率将相等，无法产生不对称性。为了产生物质盈余，必须有一个过程能够区分物质和反物质的行为，即C和CP对称性必须被破坏。
偏离热力学平衡：
如果宇宙处于热力学平衡状态，那么粒子和反粒子的产生和湮灭将处于平衡，最终会导致重子数归零。为了允许重子盈余“冻结”下来，宇宙必须经历一个快速冷却或膨胀的非平衡过程，使得重子数不守恒的过程能够在比逆过程更快的速度下进行。

萨哈罗夫条件为我们理解宇宙如何从对称走向不对称提供了理论框架。CP破坏是其中不可或缺的第二个条件。

标准模型能否解释观测到的不对称性？

标准模型确实包含了满足萨哈罗夫条件的所有要素：

重子数不守恒：通过电弱瞬子（Sphaleron）过程，在非扰动层面存在重子数和轻子数的破坏。
CP破坏：通过CKM矩阵的复数相位。
偏离热力学平衡：早期宇宙的快速膨胀和冷却提供了非平衡环境。

因此，理论上标准模型可以解释重子不对称的产生，这个过程被称为电弱重子生成（Electroweak Baryogenesis）。它发生在宇宙温度大约在100 GeV左右的电弱相变期间。

然而，关键的问题在于：标准模型所提供的CP破坏的量级是否足够大，以解释观测到的宇宙重子不对称性？
根据标准模型的CKM矩阵，CP破坏的强度由Jarlskog不变量 $J$ 决定，其量级约为 $3 \times 10^{-5}$ 。当我们将这个CP破坏量代入标准模型的重子生成计算中时，所得到的重子不对称性 $\eta_B$ 比观测值小了大约10个数量级！

$\eta_{B, \text{SM}} \sim 10^{-19} \ll \eta_{B, \text{obs}} \approx 6 \times 10^{-10}$

此外，标准模型的电弱相变被认为是交叉相变，而不是足够强的一级相变，这使得它难以满足“偏离热力学平衡”的条件。这意味着，即使CP破坏足够大，如果相变不够剧烈，也无法“冻结”重子盈余。

因此，尽管标准模型包含CP破坏，但它不足以解释我们宇宙中如此显著的物质-反物质不对称性。这强烈暗示着，在标准模型之外，一定存在着新的物理（New Physics），它提供了额外的、更强的CP破坏来源，或者全新的重子生成机制。

超越标准模型的新物理

寻找超越标准模型的新物理是当今粒子物理学最重要的前沿之一。许多理论模型都试图解决重子不对称性问题，其中一些主要通过引入额外的CP破坏来源：

超对称（Supersymmetry, SUSY）：
超对称理论引入了标准模型中每个粒子对应的超对称伙伴粒子。这些超对称粒子可以提供新的CP破坏相位，其效应可能比标准模型大得多。例如，在最小超对称标准模型（MSSM）中，可能存在额外的CP破坏相位，通过新的费曼图贡献重子生成。
大统一理论（Grand Unified Theories, GUTs）：
GUTs试图将强、弱、电磁三种基本相互作用统一起来。在某些GUTs中，会引入X玻色子和Y玻色子等新的超重粒子，它们的衰变可以同时破坏重子数守恒和CP对称性。如果这些粒子的衰变发生在早期宇宙的非平衡时期，就可以产生重子不对称。
轻子生成（Leptogenesis）：
这是一个非常流行的模型，它不直接产生重子不对称，而是首先通过轻子数不守恒和轻子CP破坏来产生轻子（如中微子）的不对称性。这种不对称性随后通过标准模型中的电弱瞬子过程（它可以转换重子数和轻子数，但不改变它们的差值 $B-L$ ）转化为重子不对称性。
轻子生成模型通常涉及到非常重的中微子（例如右手性中微子）的衰变，这些衰变可以具有CP破坏。由于中微子很可能具有非零质量（这在标准模型中是没有的），且可能存在马约拉纳性质，这为轻子CP破坏提供了丰富的可能。

$N_R \to L + H \quad \text{vs} \quad \bar{N}_R \to \bar{L} + \bar{H}$

如果这些衰变的速率存在CP不对称，就会产生轻子盈余。

轻子生成因其与中微子质量的实验观测联系紧密而备受关注。中微子振荡实验已经确凿地证明了中微子有质量，而如果中微子是马约拉纳粒子，那么轻子数可以不守恒，这为轻子生成提供了可能。

未来的探索

CP破坏和物质-反物质不对称是连接粒子物理微观世界与宇宙学宏观尺度的核心问题。解决这个谜团，将是21世纪物理学的重大成就之一。

大型强子对撞机 (LHC) 及未来实验

高能粒子对撞机是寻找新物理的利器。位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），特别是其B物理实验LHCb，正在以前所未有的精度探索B介子和D介子（含有粲夸克的介子）系统中的CP破坏。LHCb已经发现了新的CP破坏现象，并对CKM矩阵的参数进行了更精确的测量。
日本的Belle II实验是BaBar的升级版，它也在继续对B介子衰变进行高精度测量，以寻找超出标准模型的CP破坏迹象。

未来，更强大的对撞机，如未来循环对撞机（FCC）或国际直线对撞机（ILC），将能探测到更高能量尺度的粒子，有望直接发现产生新CP破坏的超对称粒子、新的Z’玻色子或W’玻色子等。

中微子实验：DUNE, Hyper-K

既然轻子生成是解释重子不对称性的一种重要可能性，那么研究轻子（特别是中微子）的CP破坏就变得至关重要。

**深层地下中微子实验（DUNE）**在美国正在建设，旨在通过长基线中微子振荡实验来寻找中微子中的CP破坏。
**日本的神冈探测器（Hyper-Kamiokande, Hyper-K）**是超级神冈探测器的升级版，也将致力于探测中微子中的CP破坏。
这些实验如果能发现轻子CP破坏，将为轻子生成提供关键的实验证据。