重子数

重子数守恒律

重子数起源问题

重子数

为了区别重子中的正反粒子，可以用重子数来表征重子。重子数用L表示，凡是重子，L=+1；凡是反重子，L=-1；重子以外的粒子，L=0。实验证明，在相互作用中重子数守衡。比如反应前重子数总和为+1，反应后生成的粒子的重子数总和也为+1。

电子是最轻的带一个单位负电荷的稳定粒子，质子则是带一个单位正电荷的稳定粒子。电荷守恒要求电子如果能衰变的话，这个单位负电荷不能消失，必须转移到衰变后产生的某个粒子上去，但是电子本身已经是带一个单位负电荷的最轻的粒子，这样电荷守恒实际上决定了电子的稳定性。正电子发现后，就提出了一个理论问题：质子并不是带一个单位正电荷的最轻的粒子，为什么质子不能衰变为一个正电子和一个光子。质子的稳定性可以用存在一个新的守恒量来解释，这个守恒量称为重子数。规定质子的重子数为1，但光子和正电子的重子数为零，质子是重子数为1的最轻的粒子，重子数守恒决定了重子的稳定性。

中子的重子数也是1。在中子衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子的过程中，电荷是守恒的，重子数也是守恒的。中子不带电，是一种中性粒子，但中子的重子数是1，这表明它不是纯中性粒子。中子的反粒子是反中子，反中子也不带电，自旋量子数也是1/2，但它的重子数是-1，重子数把中子和反中子区分开了

重子数是粒子物理学中定义的一个量子数，常用 B 来表示。规定重子的重子数为 +1，反重子的重子数为 -1，其他粒子如轻子、介子、规范玻色子的重子数为 0。

根据夸克禁闭，组成粒子的夸克的色荷总和必须为零（即白色）。正常强子实现色荷为白色有三种方式：

某种颜色的夸克与有着对应反颜色的反夸克，组成一个介子，其重子数为0；

三种不同颜色的夸克组成一个重子，其重子数为1；

三种不同反颜色的反夸克组成一个反重子，其重子数为-1

由于重子数这一概念是在夸克模型之前就被公认，所以粒子物理学没有修改重子数的定义，而是把夸克的重子数定义为1/3。重子数守恒实际上是夸克数守恒。

奇异强子是在强子基础上增加具有匹配颜色-反颜色的夸克对形成。如五夸克态由匹配的能组成重子的三个夸克与匹配的能组成介子的一对夸克-反夸克组成，其重子数为1。四夸克态由能组成介子的两对夸克-反夸克组成，其重子数为0。

重子数守恒律

重子数是一个相加性量子数，在粒子物理学中，反应前后各粒子的重子数之和等于反应之后各粒子的重子数之和，这就是重子数守恒定律。

重子数守恒定律对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是成立的，违反重子数守恒定律的反应是严格禁戒的。

重子数守恒定律的一个推论是在反应中，重子和反重子对是同时产生或湮灭的。

不过，重子数守恒定律在粒子物理学标准模型中是近似成立的，在极端条件下（如宇宙大爆炸初期），一个重子可以变成若干个轻子，从而破坏了重子数守恒与轻子数守恒。质子的衰变就是这样一个例子，虽然人类还从来没观测到这一现象。

重子数起源问题

宇宙微波背景辐射是二十世纪天文学最重要的发现之一，它给基于大爆炸理论的标准宇宙学模型提供了强有力的证据。对微波背景辐射的各向异性和宇宙中轻核丰度的观测结果显示宇宙的重子数与背景光子数之比介于10-10至10-9之间。虽然相对于背景光子来说重子的数目极其微小，但是人类本身以及太阳系、银河系甚至最大可观测宇宙范围内的发光天体都是由重子物质构成的。在宇宙学尺度上，我们始终没有发现原初反物质存在的迹象。因此，可以肯定可观测宇宙是由物质而不是由反物质组成的。在宇宙的起源和演化过程中重子数是如何产生的？这是粒子物理学和宇宙学至今仍未解决的重大前沿问题。

依照大爆炸理论，在宇宙诞生初期粒子和反粒子应该等量地产生，因而宇宙的重子数等于零。事实上，即便宇宙的初始重子数不为零，它也会由于暴涨所导致的稀释效应而变得可以忽略不计。所以，回答宇宙的重子数产生（Baryogenesis）问题需要一个合理的动力学机制。前苏联物理学家A.D. Sakharov在1967年指出Baryogenesis的动力学必须满足三个条件：

（1）存在破坏重子数守恒的相互作用。假设宇宙始于重子数为零的状态，如果不存在破坏重子数守恒的相互作用，那么它的重子数就会始终保持为零。

（2）存在破坏电荷共轭变换（C）不变性和电荷共轭－空间反演联合变换（CP）不变性的相互作用。只有这样，粒子和反粒子的产生数目才有可能不相等，因而才有可能导致重子数与反重子数的不对称。

（3）偏离热平衡。倘若宇宙处于热平衡状态，那么由CPT定理可知重子数的平均值将保持为零。