私たちの住む地域から星間物質、個々の…銀河、銀河団、フィラメント、そして大きな宇宙の網まで、宇宙のあらゆるスケールにおいて、私たちが観測するものはすべて反物質ではなく通常の物質からできているように見えます。
NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
広大な宇宙、惑星、星、銀河など、そこにあるすべてのものを見渡すとき、一つの明白な疑問が説明を求めています：なぜ無ではなく有なのか？ 宇宙を支配する物理法則は、物質と反物質の間で完全に対称であるように見えるので、問題はさらに深刻です。 しかし、外の世界を見てみると、私たちが見ている星や銀河はすべて100％物質でできており、反物質はほとんどありませんでした。 私たちが存在し、星や銀河も存在しているということは、何かが反物質よりも多くの物質を作り出し、私たちの知っている宇宙を実現したに違いありません。 では、なぜそうなったのか？
現在(左)と昔(右)の宇宙の物質とエネルギーの量。 (右)。
現在（左）とそれ以前（右）の宇宙における物質とエネルギーの含有量。暗黒エネルギーと暗黒物質の存在、および反物質よりも通常の物質が多いことに注目してください。
宇宙に関する次の2つの事実を考えてみてください。
- これまでに観測された粒子間のあらゆる相互作用は、あらゆるエネルギーにおいて、同数の反物質粒子を生成または破壊することなく、物質の粒子を1つ生成または破壊したことはありません。
- 宇宙を見渡すと、星、銀河、ガス雲、クラスター、スーパークラスター、最大規模の構造物がいたるところにありますが、すべてが反物質ではなく物質でできているように見えます。
不可能なことのように思えます。 一方で、宇宙に存在する粒子とその相互作用を考えると、反物質よりも多くの物質を作る方法は知られていません。 一方で、私たちが見ているすべてのものは、反物質ではなく、間違いなく物質でできています。
純粋なエネルギーから物質/反物質のペア(左)が生成されると、完全に可逆的な…反応(右)が起こり、物質/反物質が消滅して純粋なエネルギーに戻ります。
Dmitri Pogosyan / University of Alberta
宇宙で反物質と物質が出会うと、粒子と反粒子の対消滅により、幻想的なエネルギーの爆発が起こります。 実際にこの消滅が観測される場所もありますが、それは巨大なブラックホールの周辺など、物質と反物質が同じ量だけ生成される超高エネルギー源の周辺に限られます。 反物質が宇宙の物質にぶつかると、非常に特定の周波数のガンマ線が発生し、それを検出することができるのです。
星団、銀河、自分の星の周辺、太陽系に関わらず、宇宙に存在する反物質の割合には非常に大きな、、、強力な制限があります。
Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122
私たちの銀河系の星間物質では、平均寿命は約300年のオーダーで、これは私たちの銀河系の年齢に比べればごくわずかです。 この制約により、少なくとも天の川銀河内では、我々が観測している物質に混入することが許されている反物質の量は、最大でも1,000,000,000,000分の1であることがわかります。 銀河や銀河団などのより大きなスケールでは、制約はそれほど厳しくないものの、非常に強いものとなります。 わずか数百万光年の距離から30億光年以上の距離までの観測では、物質と反物質の対消滅から期待されるX線やガンマ線はほとんど観測されませんでした。
これは MPG/ESO 2.2m 望遠鏡によって撮影された反射星雲 IC 2631 です。
これは MPG/ESO 2-m 望遠鏡によって撮影された反射星雲 IC 2631 です。
ESO
だから、どうやったかは完全にはわからないにしても、宇宙の過去において、反物質よりも多くの物質を作らなければならなかったのです。 しかし、素粒子物理学の観点から見ると、物質と反物質の間の対称性が思った以上に明確であるため、さらに混乱してしまいます。 例えば
- クォークを作るたびに、反クォークも作る
- クォークが破壊されるたびに、反クォークも破壊される
- レプトンを作る、または破壊するたびに、同じレプトン系列の反レプトンも作る、または破壊する
- クォークまたはレプトンが相互作用、衝突、または崩壊を経験するたびに、反応終了時のクォークとレプトンの合計正味数（クォークから反クォークを、レプトンから反レプトンを引いたもの）は、終了時には開始時と同じになります。
。
これまでに宇宙で物質を増やす（または減らす）唯一の方法は、反物質を同じ量だけ増やす（または減らす）ことでした。
標準モデルの粒子と反粒子は、あらゆる種類の保存法則に従っていますが、そこには。
E. Siegel / Beyond The Galaxy
しかし、私たちはそれが可能に違いないことを知っています、唯一の問題はそれがどのようにして起こったかです。 1960年代後半、物理学者のアンドレイ・サハロフは、バリオン生成（反バリオンよりも多くのバリオン（陽子と中性子）を生成すること）に必要な3つの条件を特定しました。
- 宇宙が非平衡系であること
- C-およびCP-違反があること
- バリオン数を侵害する相互作用があること
1つ目は簡単です。不安定な粒子(および/または反粒子)が存在する膨張して冷却している宇宙は、定義上、非平衡です。
通常の中間子は、北極を中心に反時計回りに回転し、崩壊すると電子が北極の方向に沿って放出されます。 C対称性を適用すると、粒子が反粒子に置き換わります。つまり、北極を中心に反時計回りに回転している反メソンが、北の方向に陽電子を放出して崩壊するはずなのです。 同様に、P対称性は、鏡に映るものを反転させます。 C対称性、P対称性、CP対称性のもとで、粒子と反粒子がまったく同じ振る舞いをしない場合、その対称性が破られているといいます。
E. Siegel / Beyond The Galaxy
そこで問題になるのが、バリオン数をどうやって破るかということです。 素粒子物理学の標準モデルでは、バリオン数の保存が観測されているにもかかわらず、バリオン数とレプトン数（レプトンは電子やニュートリノのような粒子）のいずれに対しても、明示的な保存法則はありません。 代わりに保存されているのは、バリオンとレプトンの差であるB-Lだけなのです。
しかし、そのような状況がどのようなものなのかは、まだ謎です。
非常に若い宇宙で達成された高温では、粒子や光子が自然発生的に作られるだけでなく、十分なエネルギーが与えられれば……。
非常に若い宇宙で達成された高温では、十分なエネルギーがあれば、粒子や光子だけでなく、反粒子や不安定粒子も自発的に生成され、原始的な粒子と反粒子のスープとなります。
ブルックヘブン国立研究所
宇宙が膨張して冷えると、大量に生成された不安定粒子は崩壊します。 適切な条件が満たされると、最初は反物質がなかった場合でも、物質が反物質を上回るようになります。
- Electroweakスケールの新しい物理学は、宇宙におけるC則とCP則の違反の量を大幅に増加させ、物質と反物質の間に非対称性をもたらします。 BとLを個別に破る（ただしB-Lを保存する）スファロン相互作用は、適切な量のバリオンとレプトンを生成することができる。 これは、メカニズムによって、超対称性がなくても、超対称性があっても起こる可能性があります。
- 私たちが莫大なヒントを得ている高エネルギーでの新しいニュートリノ物理は、基本的なレプトンの非対称性を早い段階で作り出す可能性があります：レプトジェネシス（leptogenesis）です。
- または、GUTスケールのバリオジェネシス。電気弱力が強い力と統一される大統一スケールで新しい物理（および新しい粒子）が存在することが発見されます。
これらのシナリオには共通する要素がありますので、最後のシナリオを例として、何が起こったかを見てみましょう。
宇宙の他の粒子に加えて、もし大統一理論の考えが…私たちの宇宙に適用されるならば、初期宇宙の他の粒子の熱い海の中に、適切な電荷で示された、超重いボゾン、X粒子、Y粒子、およびそれらの反粒子が追加されるでしょう。
E. Siegel / Beyond The Galaxy
大統一が真実であるならば、バリオン的な性質とレプトン的な性質を併せ持つ、XとYと呼ばれる新たな超重粒子が存在するはずです。 また、反物質として、B-L数と電荷が逆で、質量と寿命が同じである反Xと反Yが存在するはずです。 これらの粒子と反粒子のペアは、十分に高いエネルギーで大量に作ることができますが、後になって崩壊します。
XとYの粒子が図のようなクォークとレプトンの組み合わせに崩壊するのを許せば、反粒子の対応するものもそれぞれの反粒子の組み合わせに崩壊します。 しかし、CPが破られると、崩壊の経路、つまりある方法で崩壊する粒子と別の方法で崩壊する粒子の割合が、XとYの粒子と反Xと反Yの粒子で異なることになり、結果として、反バリオンよりもバリオン、反レプトンよりもレプトンが正味で生成されることになります。
E. Siegel / Beyond The Galaxy
X粒子が2つのアップクォークまたは反ダウンクォークと陽電子に崩壊するという2つの経路を持つ場合、反Xは2つの反アップクォークまたはダウンクォークと電子という2つの対応する経路を持つ必要があります。 Xはどちらの場合もB-Lが3分の2であるのに対し、反Xは3分の2がマイナスであることに注意してください。 Y/反Y粒子についても同様である。 Xは反Xが2つの反アップクォークに崩壊するよりも2つのアップクォークに崩壊する可能性が高く、反XはXが反ダウンクォークと陽電子に崩壊するよりもダウンクォークと電子に崩壊する可能性が高いのです。
もし十分な数の X/反 X および Y/反 Y のペアがあり、それらがこの許可された方法で崩壊するならば、以前はなかった反バリオンよりもバリオンが、そして反レプトンよりもレプトンが、簡単に過剰になります。
上述のメカニズムに従って粒子が崩壊すると、不安定な超重粒子がすべて崩壊した後に、反クォークよりもクォークが（そして反レプトンよりもレプトンが）過剰に残ることになります。 過剰な粒子と反粒子のペアが消滅した後（赤の点線で一致）、過剰な上下クォークが残ります。このクォークは、陽子と中性子をそれぞれ上下と上下の組み合わせで構成し、電子は陽子と同じ数だけ存在します
E. Siegel / Beyond The Galaxy
つまり、完全に対称的な宇宙、つまり既知の物理法則をすべて遵守し、物質と反物質を均等かつ反対のペアでのみ自発的に生成する宇宙からスタートしても、最終的には反物質よりも物質が過剰になってしまうということです。
私たちが存在し、物質でできているという事実は議論の余地がありませんが、なぜ私たちの宇宙には、（物質と反物質が均等に混ざった）無ではなく、（物質という）有があるのかという疑問には答えが必要です。 今世紀に入ってから、エレクトロウェイクの精密検査、加速器の技術、標準モデルを超える素粒子物理学の実験などが進歩し、それがどのようにして起こったのかが明らかになるかもしれません。 そうなれば、人類最大の謎の1つがついに解決します。