四、大统一理论与宇宙演化

自然界中是否存在着改变B的作用？Ko 介子衰变的CP破坏是否与重子的不对称有直接的联系？在日常经验中为什么质子是稳定的？对这一系列问题，大爆炸宇宙学并没有给人们提供更多的知识。怎么办？在现代科

学日趋整体化的今天，人们早已冲破了各传统学科之间的专业壁垒，在相

互衔接的领域中探索、挖掘和耕耘。人们把“大统一理论”的研究成果运用于宇宙演化，这就为解决“重子数起源”开辟了新的前景。

大统一理论的目的，是在弱电统一的基础上再把强相互作用也统一进来，在理论上作出统一的描述。当前最流行的大统一模型是 SU（5），它将夸克与轻子统一在一起使之可以相互转化，这正是重子数不守恒的根据。在这种理论中，除传递电磁力的光子、传递弱作用的玻色子、传递强作用的胶子外，还要求有导致重子数不守恒的新作用传递者。这种新作用称之为超弱作用，其传递者总称为“X 粒子”。由于 X 粒子能引起 B 守恒

的破坏，则正反 X 粒子就可能有以下的衰变方式：

X→q + q，X→q + 1； X→q＋q，X→q＋1；

这里，q、q表示正、反夸克，1、1表示正、反轻子。X与X的一

类可能衰变方式如下：

X→6+ + u（B＝ − 1 ），X→d＋u（B＝2／3）

3

X→e−＋n（B 1 X→d＋ u（B = -2／3）

＝ 3 ），

这些过程的存在，就会导致质子的衰变。

质子是由 u，u，d 三个夸克组成的。通过 X 粒子的媒介作用，可以使两个夸克转化为轻子和反夸克，这个反夸克与质子中第三个夸克组成介子，于是质子衰变为轻子和介子。具体反应序列例示如下：

u → X + d u + X → e+

＋）d＋d → π 0

p（uud） → e+ ＋л

由 X 粒子耦合的相互作用是非常微弱的，而 X 的质量非常之大，故质子寿命极长。理论上预计，X 的质量约为 1015GeV（相当于质子质量的 1015 倍），质子衰变的平均寿命约为 1031 年。也就是说，大统一理论预言，只有当能量高达 1015GeV（G=109）时，B 不守恒的过程才会起显著作用。目前最大的高能加速器只有几百个 GeV，所以，对于 B 不守恒过程，在实验室里是难于实现的。什么地方会有如此高的能量呢？人们自然想到了大爆炸时的宇宙。

大爆炸宇宙学认为，现在的宇宙，是距今约 150 亿年前，由大爆炸开始的，爆炸后，物质以匀质而且各向同性地剧烈膨胀，从无限高的温度冷却下来。这一理论，得到 2.73K 背景辐射和宇宙空间氦的丰度等观测事实有力的支持。如果把大爆炸的标准模型外推上去直到接近爆炸的零时刻①， 那么空间全体的总能量应达到 1015GeV 以上。这样，大统一理论为重子数起源提供了演化机制，而大爆炸后的极早期宇宙为重子数起源创造了环境条件，两者的结合，就能较自然地解释重子数的不对称问题：

在宇宙年龄小于 10-35 秒时，则温度高于 1028K，对应的粒子热运动能量大于1015 GeV，虽然宇宙间有许多X与X粒子，B不守恒的过程普遍存在，但由于宇宙介质处于热平衡，所以重子与反重子的数密度保持相等， 宇宙处于总重子数nB - n 为零的状态；当宇宙年龄到达10-35秒时，情

况就不同了。这时宇宙的能量尺度将开始低于1015 GeV，X与X粒子都将开始湮没或衰变而消失。如果这种衰变又是 CP 破坏的，衰变的结果将导致nB - nB≠0。即形成了重子—反重子的不对称。也就是说，如果大统一理论预言的 X 粒子存在，那么粒子和反粒子之间的不对称就会在 10-35 秒的

① 宇宙大爆炸的标准模型存在许多根本性的弱点，不能用来描述宇宙演化的极早时期。

时间以内自然而然地产生。目前理论推测，这种不对称程度（n B - n B与nB 之比）为 10-9，此后，重子与反重子的总数差不会再改变，而密度差nB - n- 将因宇宙膨胀而降低。在温度降至1013 K时，正反重子将成对湮

没，留下来的是一个由过剩重子构成的宇宙，而反重子则完全消失了。这就是今天人们看到的情景。

把粒子的统一理论和宇宙演化问题和谐地结合起来，绘出一幅自然而合理的演化图像，使人们看到解决重子数起源问题的曙光，因而激励了许多人认真地采纳了统一的观念，投入对各种大统一模型和宇宙演化问题的深入研究。1981 年，美国国家科学基金会在加利福尼亚大学圣巴巴腊分校理论物理研究所试行一种新的研究方式，即邀请世界各地从事同类问题研究的学者，进行半年到一年的集体研究，期望他们共同努力，取得比他们各自独立进行研究更丰硕的成果。在 1—6 月的半年中，他们集中探讨了宇宙学与粒子物理之间的密切联系，进行了有关早期宇宙的研究，取得了许多成果。现在看来，虽然描述重子不对称生成的标准方案迅速得到了广泛的接受但这个模型仍然存在若干基本的不确定性。不确定之一涉及作为初始条件的热平衡假设。有人指出，如果宇宙最初不是处于热平衡状态，那末所产生的不对称量级就可能不同。另一不确定的地方是 CP 破坏的量级和类型。克劳宁在 1980 年的诺贝尔演讲中说：“我们今天观察到的 CP 破坏是否是上述猜测的宇宙早期事例的‘遗留化石’，这个问题现在还不能作出回答。⋯⋯我们对 CP 破坏还知道得不够”，“我们需要知道 CP 破坏的理论基础，我们需要知道怎样可靠地将 CP 破坏特性外推到超高能区。” 随着研究的深入，重子不对称不能直接与Ko 系统的CP破坏相联系，这一

点已几乎成为定论。有人提出了一个决定重子不对称的 CP 破坏与中子电偶极矩而不是与 K 介子系统相联系的模型（中子电偶极矩是 CP 破坏的另一种可能形式）。人们还在探索之中。总之，重子数起源的理论获得相当进展， 同时也存在一些尚待解决的基本难题。