超荷破缺情景：解釋宇宙重子不對稱性的新可能

標準模型（SM）是個主要的物理框架，用來描述基本粒子以及作用於這些粒子的力，它勾勒出了被稱爲規範對稱的物理相互作用中的關鍵模式。它所描述的對稱當中有一種叫做U(1)Y超荷：這是一種規範對稱，在電磁力和弱力區分開來之前（也就是在電弱相變之前），它會對粒子的電荷產生影響。

馬德里自治大學理論物理系（DFT）和理論物理研究所（IFT）的研究人員最近做了一項研究，探究早期宇宙中的條件是怎樣促使這種規範對稱自發破缺的，並把這種現象和某些中微子質量產生模型聯繫起來，這些模型被稱爲輻射中微子質量模型。他們的論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，特別基於一個叫做澤 - 巴布（Zee - Babu）模型的理論框架，這個模型是標準模型的擴展，用來解釋中微子質量的產生。

“在標準模型裡，那種自發破缺的、支配自然界電磁和弱相互作用的電弱規範對稱，在宇宙最初時刻（當時宇宙溫度高於電弱能標）是恢復狀態的。”何塞·米格爾·諾（Jose Miguel No）教授、盧卡·梅洛（Luca Merlo）、阿爾瓦羅·洛薩諾 - 翁魯維亞（Alvaro Lozano - Onrubia）和塞爾吉奧·洛佩斯 - 祖爾多（Sergio López - Zurdo）告訴物理組織（Phys.org）。

“過去幾年裡，我們當中的諾教授一直在探索這種對稱在早期宇宙中可能一直處於破缺狀態的可能性，因爲這可能對原始物質 - 反物質不對稱（也就是所謂的‘宇宙重子不對稱’）的起源有着重要意義。然而，要找到具有這種效應的標準模型擴展是非常難的。”

諾教授和俄克拉荷馬州立大學的卡拉迪·巴布教授在參加慕尼黑的一個理論物理研討會時，開始討論一些能爲標準模型（SM）中微子產生質量的粒子物理模型的現象學。巴布教授是這些被稱爲輻射中微子質量模型框架方面的世界專家，他提供了寶貴的見解，爲團隊目前的研究鋪平了道路。

研究人員表示：“這次對話讓大家意識到，這類模型具備保持超荷規範對稱性（構成電弱規範對稱性的兩種對稱性之一）在非常高的溫度下破缺所需的要素。”

“回到馬德里的IFT（理論物理研究所）後，我們一起坐下來，證實了這些中微子質量模型可能具有早期宇宙超荷破缺的特徵，這可能爲中微子質量和重子不對稱性之間的聯繫提供新的視角。”

標準模型（SM，現代粒子物理學的理論框架）有一個簡單的標量部分，其中只包含負責產生該模型所描述的有質量粒子質量的希格斯場。這個簡單的標量部分表明宇宙有一個相當基本的熱歷史，在高溫下標準模型的規範對稱性是精確的。然而，弱電對稱性在低溫下自發破缺，這一現象已被實驗充分證實。

“然而，在具有更豐富標量部分的標準模型的某些擴展中，宇宙的熱歷史會更加複雜，”諾（No，具體英文名字全稱）、梅洛（Merlo）、洛薩諾 - 翁魯維亞和洛佩斯 - 祖爾多解釋道。“特別是，我們表明，在這種更豐富的標量部分與中微子質量產生相關聯的擴展中，標準模型的超荷規範對稱性確實可以在高溫下被打破，而在標準模型中則不會。”

所謂的重子不對稱問題，即宇宙中觀測到的物質和反物質之間的不平衡，研究人員表明早期宇宙中超荷對稱性的破缺可以對其進行解釋。在他們的論文中，諾、梅洛、洛薩諾 - 翁魯維亞和洛佩斯 - 祖爾多概述了一種可能對當今以物質爲主的宇宙形成有貢獻的非常規機制。

研究人員稱：“首先，我們的研究強調了在這些分析中考慮量子貢獻的相關性，因爲我們的研究結果在很大程度上取決於能否恰當地將其考慮在內。”

“我們表明，具有非最小標量部分的粒子物理模型是非常有前景的情形，可同時解釋標準模型（SM）的幾個未解決的問題，在我們的研究中，即中微子質量的起源和宇宙重子不對稱性的產生。”

這個研究團隊近期的工作可能很快爲中微子物理學和物質起源的研究開啓有趣的探索方向。未來，它可能有助於能更好地解釋宇宙物質 - 反物質不對稱性的宇宙替代模型的發展。

研究人員說：“與此同時，我們的工作爲解釋宇宙重子不對稱性（注：重子不對稱性是指在宇宙中，重子和反重子的數量存在差異的現象）的起源開闢了新的替代途徑，而這種不對稱性最終造就了我們的存在。”

諾（No）、梅洛（Merlo）、洛薩諾 - 翁魯維亞和洛佩斯 - 蘇爾多最近的分析專門適用於一種被稱爲澤 - 巴布（Zee - Babu）模型的中微子（注：中微子是一種基本粒子）質量產生的特定理論框架。作爲他們當前研究的一部分，研究人員正在試圖確定他們的結果是否僅適用於這個模型，還是能夠擴展到描述豐富標量場（注：標量場是物理學中場的一種）的更廣泛的理論範圍。

研究人員補充說：“此外，這種‘逆對稱破缺’現象，就是說某種在早期宇宙中被認爲是精確的對稱性，其實當時就已經被破壞了。這種現象可以爲標準模型（SM，注：標準模型是描述基本粒子及其相互作用的理論）的其他問題提供解決方案，例如‘強 - CP’問題（注：強 - CP問題是關於強相互作用中CP對稱性的問題，即爲什麼強相互作用似乎遵循離散的CP對稱性）。這是我們正在進行的進一步分析中正在探索的一種可能性。”