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重子數是粒子物理學中定義的一個量子數,常用 B 來表示。規定重子的重子數為 +1,反重子的重子數為 -1,其他粒子如輕子、介子、規範玻色子的重子數為0。重子數是一個相加性量子數,在粒子物理學中,反應前後各粒子的重子數之和等於反應之後各粒子的重子數之和,這就是重子數守恆定律。

1簡介

重子數
重子數是粒子物理學中定義的一個量子數,常用 B 來表示。規定重子的重子數為 +1,反重子的重子數為 -1,其他粒子如輕子、介子、規範玻色子的重子數為 0。
根據夸克禁閉,組成粒子的夸克的色荷總和必須為零(即白色)。正常強子實現色荷為白色有三種方式:
某種顏色的夸克與有著對應反顏色的反夸克,組成一個介子,其重子數為0;
三種不同顏色的夸克組成一個重子,其重子數為1;
三種不同反顏色的反夸克組成一個反重子,其重子數為-1
由於重子數這一概念是在夸克模型之前就被公認,所以粒子物理學沒有修改重子數的定義,而是把夸克的重子數定義為1/3。重子數守恆實際上是夸克數守恆。
奇異強子是在強子基礎上增加具有匹配顏色-反顏色的夸克形成。如五夸克態由匹配的能組成重子的三個夸克與匹配的能組成介子的一對夸克-反夸克組成,其重子數為1。四夸克態由能組成介子的兩對夸克-反夸克組成,其重子數為0。

2重子數守恆律

重子數是一個相加性量子數,在粒子物理學中,反應前後各粒子的重子數之和等於反應之後各粒子的重子數之和,這就是重子數守恆定律
重子數守恆定律對於強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是成立的,違反重子數守恆定律的反應是嚴格禁戒的。
重子數守恆定律的一個推論是在反應中,重子和反重子對是同時產生或湮滅的。
不過,重子數守恆定律在粒子物理學標準模型中是近似成立的,在極端條件下(如宇宙大爆炸初期),一個重子可以變成若干個輕子,從而破壞了重子數守恆與輕子數守恆。質子的衰變就是這樣一個例子,雖然人類還從來沒觀測到這一現象。

3重子數起源問題

宇宙微波背景輻射是二十世紀天文學最重要的發現之一,它給基於大爆炸理論的標準宇宙學模型提供了強有力的證據。對微波背景輻射的各向異性和宇宙中輕核丰度的觀測結果顯示宇宙的重子數與背景光子數之比介於10-10至10-9之間。雖然相對於背景光子來說重子的數目極其微小,但是人類本身以及太陽系、銀河系甚至最大可觀測宇宙範圍內的發光天體都是由重子物質構成的。在宇宙學尺度上,我們始終沒有發現原初反物質存在的跡象。因此,可以肯定可觀測宇宙是由物質而不是由反物質組成的。在宇宙的起源和演化過程中重子數是如何產生的,這是粒子物理學和宇宙學至今仍未解決的重大前沿問題。 
依照大爆炸理論,在宇宙誕生初期粒子和反粒子應該等量地產生,因而宇宙的重子數等於零。事實上,即便宇宙的初始重子數不為零,它也會由於暴漲所導致的稀釋效應而變得可以忽略不計。所以,回答宇宙的重子數產生(Baryogenesis)問題需要一個合理的動力學機制。前蘇聯物理學家A.D. Sakharov在1967年指出Baryogenesis的動力學必須滿足三個條件:
(1)存在破壞重子數守恆的相互作用。假設宇宙始於重子數為零的狀態,如果不存在破壞重子數守恆的相互作用,那麼它的重子數就會始終保持為零。
(2)存在破壞電荷共軛變換(C)不變性和電荷共軛-空間反演聯合變換(CP)不變性的相互作用。只有這樣,粒子和反粒子的產生數目才有可能不相等,因而才有可能導致重子數與反重子數的不對稱。
(3)偏離熱平衡。倘若宇宙處於熱平衡狀態,那麼由CPT定理可知重子數的平均值將保持為零。
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